非線形光ループミラーとその設計方法並びに光信号変換方法
【課題】符号化や量子化を光信号で高速で処理する非線形光ループミラーを提供する。
【解決手段】光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、そこから出力される光信号を光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を光ファイバに入力する制御光入力手段と、光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、制御光信号のパワーによって光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであり、２分岐された各光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調によって各光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπとなるときの出力光信号のパワーがその最大値に対する割合が所定のしきい値以下となるように各光信号と制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制する。
【解決手段】光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、そこから出力される光信号を光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を光ファイバに入力する制御光入力手段と、光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、制御光信号のパワーによって光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであり、２分岐された各光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調によって各光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπとなるときの出力光信号のパワーがその最大値に対する割合が所定のしきい値以下となるように各光信号と制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ファイバ通信システムにおいて用いられ、光アナログ信号を光ディジタル信号に変換する光アナログ／ディジタル変換方法及び装置などのための光信号処理方法及び装置、非線形光ループミラーとその設計方法並びに光信号変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アナログ／ディジタル変換（以下、Ａ／Ｄ変換という。）は離散化、量子化及び符号化の処理によって実現され、従来これらの処理は半導体を用いた電気信号処理により行われている。
【０００３】
現在、高速化された光処理によるアナログ／ディジタル変換処理を行うことが所望されるが、例えば、非特許文献１及び２（以下、従来例という。）においては、マッハ・ツェンダー干渉計型光変調器をサンプルホールド回路として用いて量子化した後、フォトディテクタを用いて光電変換した後、電気回路を用いて符号化することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２７１７３０号公報。
【特許文献２】特開２０００−１０１２９号公報。
【特許文献３】特開平９−０３３９６７号公報。
【特許文献４】特開平９−２２２６２０号公報。
【特許文献５】特開平９−１０２９９１号公報。
【特許文献６】特開２０００−３２１６０６号公報。
【特許文献７】特開２００１−１１７１２５号公報。
【特許文献８】特開平８−１４６４７３号公報。
【特許文献９】特表２００２−５２５６４７号公報。
【特許文献１０】特開２００３−１０７５４１号公報。
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Henry F. Taylor, "An Optical Analog-to-Digital Converter-Design and Analysis", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-15, No. 4, April 1979.
【非特許文献２】B. Jalali et al., "Optical folding-flash analog-to-digital converter with analog encoding", Optical Letters, Optical Society of America, Vol. 20, No. 18, September 15, 1995.
【非特許文献３】N. J. Doran et al., "Nonlinear-optical loop mirror", Optical Letters, Optical Society of America, Vol. 13, No. 1, January 1988.
【非特許文献４】山本貴司ほか，”超高速非線形光ループミラーによるサブテラビットＴＤＭ光信号の多重分離”，電子情報通信学会論文誌，Ｃ−Ｉ，電子情報通信学会発行，Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−Ｉ，ｐｐ．１０９−１１６，１９９９年３月。
【非特許文献５】Govind P. Agrawal, "NONLINEAR FIBER OPTICS", Academic Press, ISBN:0120451425, 2rd Edition, pp. 210-211, 1995.
【非特許文献６】Stephen M. Jensen, "The Nonlinear Coherent Coupler", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 10, October 1982.
【非特許文献７】William S. Wong et al., "Self-switching of optical pulses in dispersion-imbalanced nonlinear loop mirrors", Optics Letters, Optical Society of America, Vol.22, pp.1150-1152, 1997.
【非特許文献８】I. Y. Khrushchev et al., "High-quality laser diode pulse compression in dispersion-imbalanced loop mirror", Electronics Letters, Vol.34, pp.1009-1010, May 1998.
【非特許文献９】K. R. Tamura et al., "Spectral-Smoothing and Pedestal Reduction of Wavelength Tunable Quasi-Adiabatically Compressed Femtosecond Solitons Using a Dispersion-Flattened Dispersion-Imbalanced Loop Mirror," IEEE Photonics Technology Letters, Vol.11, pp.230-232, February 1999.
【非特許文献１０】K. J. Blow et al., "Demonstration of the nonlinear fibre loop mirror as an ultrafast all-optical demultiplexer", Electronics Letters, Vol.26, pp.962-964, 1990.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の従来例においては、符号化回路は電気回路であるので、半導体の応答速度による制限があり、例えばテラヘルツオーダーでのより高速な処理を行うことができない。
【０００７】
また、特許文献１においては、非線形ファブリペロー共振器を用いた光Ａ／Ｄ変換器が開示されているが、光アナログ信号を２値の光ディジタル信号に変換するのみで、符号化する光回路については開示されていない。
【０００８】
すなわち、従来技術において、光アナログ信号を光ディジタル信号に変換する光アナログ／ディジタル変換器であって、符号化や量子化をともに光信号で処理し、テラヘルツオーダー以上の周波数でより高速な処理を行うことができる装置については開発、実用化されていないという問題点があった。
【０００９】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、符号化や量子化をともに光信号で処理し、テラヘルツオーダー以上の周波数でより高速な処理を行うことができ、しかも構造が簡単である光Ａ／Ｄ変換方法及び装置などのための光信号処理方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の別の目的は、上記光アナログ／ディジタル変換方法及び装置などのための光信号処理方法及び装置、非線形光ループミラーとその設計方法並びに光信号変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係る光信号処理方法は、光強度に関する入出力特性において所定の周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って所定の信号処理を実行して出力するステップを含むことを特徴とする。
【００１２】
第２の発明に係る光信号処理方法は、光強度に関する入出力特性において、所定の光論理演算に対応した周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光を複数用いることによって、又は上記第１の波長とは異なる複数の波長を有するパルス列である制御光を用いることによって、所定の光論理演算処理を実行して出力するステップを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記光信号処理方法において、上記光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００１４】
第３の発明に係る光信号処理方法は、光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を上記各光符号化器から出力するステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
上記光信号処理方法において、上記複数の光符号化器は、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器であり、ここで、Ｎは量子化ビット数を表す自然数（Ｎ＝１，２，３，…）であることを特徴とする。
【００１６】
第４の発明に係る光信号処理方法は、光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光信号処理器を用いて、第１の波長を有する多値光信号のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って、複数の２値光信号に復号して出力するステップを含むことを特徴とする。
【００１７】
上記光信号処理方法において、上記各光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、上記光信号処理方法において、上記第１の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第１の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第１の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００１９】
第５の発明に係る光信号処理装置は、光強度に関する入出力特性において所定の周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って所定の信号処理を実行して出力する信号処理手段を備えたことを特徴とする。
【００２０】
第６の発明に係る光信号処理装置は、光強度に関する入出力特性において、所定の光論理演算に対応した周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光を複数用いることによって、又は上記第１の波長とは異なる複数の波長を有するパルス列である制御光を用いることによって、所定の光論理演算処理を実行して出力する演算手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
上記光信号処理装置において、上記光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００２２】
第７の発明に係る光信号処理装置は、光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を上記各光符号化器から出力する光符号化手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
上記光信号処理装置において、上記複数の光符号化器は、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器であり、ここで、Ｎは量子化ビット数を表す自然数（Ｎ＝１，２，３，…）であることを特徴とする。
【００２４】
第８の発明に係る光信号処理装置は、光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光信号処理器を用いて、第１の波長を有する多値光信号のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って、複数の２値光信号に復号して出力する多値復号手段を備えたことを特徴とする。
【００２５】
上記光信号処理装置において、上記各光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００２６】
また、上記光信号処理装置において、上記第１の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第１の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第１の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００２７】
第９の発明に係る光信号処理方法は、光標本化された光アナログ信号を光ディジタル信号に光アナログ／ディジタル変換する光信号処理方法であって、
光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を上記各光符号化器から出力するステップと、
上記各光符号化器にそれぞれ接続され、光強度に関する入出力特性が非線形性を有する光非線形素子を備えた１つ又は複数の光しきい値処理器を用いて、上記光符号化された複数の信号光のパルス列に対して光しきい値処理を行うことにより光量子化し、光量子化されたパルス列を光ディジタル信号として出力するステップとを含むことを特徴とする。
【００２８】
上記光信号処理方法において、上記光符号化するステップの前に、光アナログ信号を所定の標本化周波数で光標本化して、光標本化された光アナログ信号を出力するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００２９】
また、上記光信号処理方法において、上記複数の光符号化器は、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器であり、ここで、Ｎは量子化ビット数を表す自然数（Ｎ＝１，２，３，…）であることを特徴とする。
【００３０】
さらに、上記光信号処理方法において、上記光量子化するステップにおいて、上記光符号化された複数の信号光のパルス列毎に、１つの光しきい値処理器又は縦続接続された複数の光しきい値処理器を用いてそれぞれ入力される信号光のパルス列を光量子化することを特徴とする。
【００３１】
またさらに、上記光信号処理方法において、上記各光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００３２】
また、上記光信号処理方法において、上記各光しきい値処理器は第２の光非線形素子からなり、所定の搬送波光の連続光又はパルス列を入力する第１の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光量子化されたパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００３３】
さらに、上記光信号処理方法において、上記各光しきい値処理器は第２の光非線形素子からなり、所定の搬送波光の連続光又はパルス列を入力する入力端と、上記光量子化されたパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００３４】
またさらに、上記光信号処理方法において、上記第１の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第１の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第１の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００３５】
またさらに、上記光信号処理方法において、上記第２の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第２の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第２の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００３６】
第１０の発明に係る光信号処理装置は、光標本化された光アナログ信号を光ディジタル信号に光アナログ／ディジタル変換する光信号処理装置であって、
光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を上記各光符号化器から出力する光符号化手段と、
上記各光符号化器にそれぞれ接続され、光強度に関する入出力特性が非線形性を有する光非線形素子を備えた１つ又は複数の光しきい値処理器を用いて、上記光符号化された複数の信号光のパルス列に対して光しきい値処理を行うことにより光量子化し、光量子化されたパルス列を光ディジタル信号として出力する光量子化手段とを備えたことを特徴とする。
【００３７】
上記光信号処理装置において、上記光符号化手段の前段に設けられ、光アナログ信号を所定の標本化周波数で光標本化して、光標本化された光アナログ信号を出力する光標本化手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００３８】
また、上記光信号処理装置において、上記複数の光符号化器は、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器であり、ここで、Ｎは量子化ビット数を表す自然数（Ｎ＝１，２，３，…）であることを特徴とする。
【００３９】
さらに、上記光信号処理装置において、上記光量子化手段は、上記光符号化された複数の信号光のパルス列毎に、１つの光しきい値処理器又は縦続接続された複数の光しきい値処理器を用いてそれぞれ入力される信号光のパルス列を光量子化することを特徴とする。
【００４０】
またさらに、上記光信号処理装置において、上記各光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００４１】
また、上記光信号処理装置において、上記各光しきい値処理器は第２の光非線形素子からなり、所定の搬送波光の連続光又はパルス列を入力する第１の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光量子化されたパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００４２】
さらに、上記光信号処理装置において、上記各光しきい値処理器は第２の光非線形素子からなり、所定の搬送波光の連続光又はパルス列を入力する入力端と、上記光量子化されたパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００４３】
またさらに、上記光信号処理装置において、上記第１の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第１の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第１の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００４４】
またさらに、上記光信号処理装置において、上記第２の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第２の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第２の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００４５】
第１１の発明に係る非線形光ループミラーは、光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの上記出力光信号のパワーが、上記出力光信号のパワーの最大値に対して所定のしきい値以下となるように、それぞれの光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする。
【００４６】
上記非線形光ループミラーにおいて、上記制御光信号と同一方向に伝搬する上記光信号が非線形媒質中でパラメトリック利得によって増幅された割合をＧ、上記出力光信号のパワーの最大値に対する上記所定のしきい値の割合をＴとしたときにＧ＜２Ｔ＋１の関係式を満足することを特徴とする。
【００４７】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記光信号と上記制御光信号のパルスが上記非線形媒質のより広い範囲で重なるように、上記入力光信号と上記制御光信号のいずれか一方を光遅延線を介してから入力することを特徴とする。
【００４８】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光が常に同じであることを特徴とする。
【００４９】
またさらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記所定のしきい値が、光信号処理で必要とされるしきい値であることを特徴とする。
【００５０】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記所定のしきい値が３ｄＢであることを特徴とする。
【００５１】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記非線形媒質の分散値の絶対値が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制する分散値以上であることを特徴とする。
【００５２】
またさらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記制御光信号と上記入力光信号の波長差が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制する波長差以上であることを特徴とする。
【００５３】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記制御光信号と上記光信号の波長差と、上記非線形媒質の分散値との積の絶対値が、ウォークオフを抑圧して、２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差を２π以上とする値以下であることを特徴とする。
【００５４】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数）となるときの上記出力光信号のパワー値が、光アナログ／ディジタル変換の処理において０として処理されることを特徴とする。
【００５５】
またさらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記非線形媒質の分散特性が上記制御光信号の波長において正常分散特性を有することを特徴とする。
【００５６】
またさらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記非線形媒質の分散特性が上記制御光信号の波長において異常分散特性を有することを特徴とする。
【００５７】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記入力光信号と上記制御光信号の波長において、上記非線形媒質の分散値Ｄを波長λで微分した値が正（ｄＤ／ｄλ＞０）であるとき、λ０＞λＳ＞λＣであることを特徴とする。
【００５８】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記入力光信号と上記制御光信号の波長において、上記非線形媒質の分散値Ｄを波長λで微分した値が負（ｄＤ／ｄλ＜０）であるとき、λ０＜λＳ＜λＣであることを特徴とする。
【００５９】
第１２の発明に係る非線形光ループミラーは、光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
上記非線形媒質が上記制御光信号の波長において正常分散の特性を有することを特徴とする。
【００６０】
上記非線形光ループミラーにおいて、上記制御光信号の波長における上記非線形媒質の分散値が−０．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、上記入力信号光と上記制御光の波長差が１６ｎｍ以上であることを特徴とする。
【００６１】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光が常に同じであることを特徴とする。
【００６２】
第１３の発明に係る非線形光ループミラーは、光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
２分岐されたそれぞれの光信号と上記制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によって、それぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２π以上であることを特徴とする。
【００６３】
上記非線形光ループミラーにおいて、上記非線形媒質が上記制御光信号の波長において正常分散の特性を有することを特徴とする。
【００６４】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの出力光信号のパワーが、上記出力光信号のパワーの最大値に対して光アナログ／ディジタル変換におけるしきい値以下となるように、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする。
【００６５】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光が常に同じであることを特徴とする。
【００６６】
第１４の発明に係る非線形光ループミラーの設計方法は、光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーを設計する方法であって、
入力光信号のパワーに対する出力光信号のパワーの関係で表される伝達関数とその周期（φｍａｘ）を決定する第１のステップと、
光信号処理に適した、出力光信号のしきい値を決める第２のステップと、
非線形媒質の非線形定数と分散特性、及び制御光信号の波長とピークパワーを仮決めする第３のステップと、
位相シフトが上記周期φｍａｘに及んでいるかを判別し、及んでいなければ上記第３のステップに戻る第４のステップと、
上記光信号がパラメトリック利得によって増幅された割合をＧ、上記出力光信号のパワーの最大値に対する上記しきい値の割合をＴとしたときにＧ＜２Ｔ＋１を満足するかを判別し、満足していなければ上記第３のステップに戻る第５のステップとを含むことを特徴とする。
【００６７】
第１５の発明に係る光信号変換方法は、入力された光信号を２分岐し、分岐した一方の光信号（Ａ）を波長の異なる制御光信号と同一方向に伝搬させて相互位相変調を発生させ、分岐した他方の光信号（Ｂ）との間の位相シフト差を制御光信号のパワー変化に対して周期的に変化させて、上記光信号（Ａ）及び（Ｂ）の干渉によって得られる出力光信号のパワーを変化させる光信号変換方法であって、
上記出力光信号のパワーの最大値に対して、位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの上記出力光信号のパワーが２値化処理のしきい値以下となるように、上記光信号（Ａ）と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００６８】
本発明に係る光信号処理方法及び装置によれば、光強度に関する入出力特性において所定の周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って所定の信号処理を実行して出力する。従って、光論理演算、光符号化処理、多値復号処理などの光信号処理をきわめて簡単な構成で実現でき、しかも従来技術に比較して高速化できる。
【００６９】
また、本発明に係る光信号処理方法及び装置によれば、標本化された光アナログ信号を光ディジタル信号に光Ａ／Ｄ変換することができ、標本化周波数の上限は数百ギガ数テラヘルツオーダーまで原理的に可能であり、電気回路のＡ／Ｄ変換の標本化周波数の限界を数十ギガヘルツとすると、二桁程度の高速化が可能である。また、入出力が光信号なので光ネットワークへの応用に適している。
【００７０】
さらに、本発明に係る非線形光ループミラー内の光ファイバにおいて制御光が引き起こすパラメトリックプロセスによって、制御光と同じ向きに進む信号光が受ける利得が、設定したしきい値に対して決定される許容値以下に抑圧されるように設計されたことを特徴とする設計を行うことで、図２８のような伝達関数を持つ非線形光ループミラーを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００の動作を示すブロック図及びタイミングチャートである。
【図２】図１の光Ａ／Ｄ変換装置１００の詳細構成を示すブロック図である。
【図３】図２の光符号化器２０１の詳細構成を示すブロック図である。
【図４】図３の光符号化器２０１の動作を示す、制御光（λ２）の入力電力に対する信号光（λ１）の出力電力との関係を示すグラフである。
【図５】図３の光符号化回路２００の動作例を示すグラフ及びブロック図である。
【図６】図２の光しきい値処理器３０１の詳細構成及びその動作を示すブロック図及びグラフである。
【図７】図６の光しきい値処理器３０１の動作例を示すグラフである。
【図８】図２の光符号化回路２００及び光量子化回路３００の詳細構成を示すブロック図である。
【図９】図８の各光符号化器２０１，２０２，２０３の動作例を示すグラフであり、図９（ａ）は光符号化器２０１の動作例を示し、図９（ｂ）は光符号化器２０２の動作例を示し、図９（ｃ）は光符号化器２０３の動作例を示す。
【図１０】図８の各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３の動作例を示すグラフであり、図１０（ａ）は光しきい値処理器３０１の動作例を示し、図１０（ｂ）は光しきい値処理器３０２の動作例を示し、図１０（ｃ）は光しきい値処理器３０３の動作例を示す。
【図１１】本発明の変形例に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００Ａの詳細構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１の各光しきい値処理器の動作例を示すグラフであって、図１２（ａ）は縦続接続された光しきい値処理器３０１，３１１の動作例を示し、図１２（ｂ）は縦続接続された光しきい値処理器３０２，３１２，３２２の動作例を示し、図１２（ｃ）は縦続接続された光しきい値処理器３０３，３１３，３２３，３３３の動作例を示す。
【図１３】本実施形態に係る実験システムの詳細構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３の光符号化回路２００の符号化処理の動作例を示すグラフであって、図１４（ａ）は光符号化器２０１の符号化処理の動作例を示し、図１４（ｂ）は光符号化器２０２の符号化処理の動作例を示し、図１４（ｃ）は光符号化器２０３の符号化処理の動作例を示す。
【図１５】図１３の光符号化回路２００を用いた符号化処理における制御光（λ２）の入力アナログパルスの振幅に対する３ビット符号化値（＃１，＃２，＃３）を示すグラフである。
【図１６】図１３において理想的な非線形光ループミラーを用いて実験システムを構成したときに、１段の光しきい値処理器の処理後のアナログパルスの振幅を変化したときの符号化後の３ビット符号化値（＃１，＃２，＃３）とそのパルス波形を示す図である。
【図１７】本実施形態に係る第１のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。
【図１８】図１７の第１のシミュレーションの結果であって、制御光（λ２）のパルスのピークパワーに対する信号光（λ１）のパルスのピークパワーを示すグラフである。
【図１９】本実施形態に係る第２のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。
【図２０】図１９の第２のシミュレーションの結果であって、図２０（ａ）は光符号化器２０１からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり、図２０（ｂ）は光符号化器２０２からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり図２０（ｃ）は光符号化器２０３からの信号電力のパルス波形を示す波形図である。
【図２１】本実施形態に係る第３のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。
【図２２】図２１の第３のシミュレーションの結果であって、図２２（ａ）は光符号化器２０１からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり、図２２（ｂ）は光符号化器２０２からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり図２２（ｃ）は光符号化器２０３からの信号電力のパルス波形を示す波形図である。
【図２３】本発明の第１の変形例に係る導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。
【図２４】本発明の第２の変形例に係る分散不平衡型非線形光ループミラーを用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。
【図２５】本発明の第３の変形例に係る光カー効果を有するカーシャッタを用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。
【図２６】従来技術及び本発明の第２の実施形態に係るＮＯＬＭの構成の一例を示す図である。
【図２７】従来技術に係るＮＯＬＭによる入力信号光パワーと出力光パワーの関係を示す図である。
【図２８】本発明の第２の実施形態に係るＮＯＬＭの入力光パワーと出力光パワーの関係を示す図である。
【図２９】光ファイバの分散値Ｄ（λＣ）に対するパラメトリック利得の値の関係を示す図である。
【図３０】信号光と制御光の波長差Δλに対するパラメトリック利得の値の関係を示す図である。
【図３１】光ファイバの分散値と、信号光及び制御光の波長配置の関係（ｄＤ／ｄλ＞０の場合）を示す図である。
【図３２】光ファイバの分散値と、信号光及び制御光の波長配置（ｄＤ／ｄλ＜０の場合）を示す図である。
【図３３】本発明の第２の実施形態に係るＮＯＬＭの設計処理の手順を示すフローチャートである。
【図３４】本発明の第２の実施形態に係るＮＯＬＭの一実施例を示す図である。
【図３５】本発明によるＮＯＬＭの伝達特性について測定した結果を示す図である。
【図３６】図３５とは異なる高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）を用いた場合のＮＯＬＭの伝達関数について示す図である。
【図３７】本発明の第２の実施形態に係る別の実施例のＮＯＬＭに関する伝達特性の測定結果を示す図である。
【図３８】本発明の第２の実施形態に係るさらに別の実施例のＮＯＬＭに関する伝達特性の測定結果を示す図である。
【図３９】本発明の第３の実施形態に係る多値光信号復号器４００の構成を示すブロック図である。
【図４０】図３９の各光信号処理器４０１，４０２における入力パルス強度に対する出力パルス強度を示すグラフである。
【図４１】（ａ）は図３９の多値光信号復号器４００を用いた第１の応用例を示す光強度多値通信システムのための復号装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）の復号装置の符号割り当て例を示す表である。
【図４２】（ａ）は図３９の多値光信号復号器４００を用いた第２の応用例を示す光強度多値通信システムのための復号装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）の復号装置の符号割り当て例を示す表である。
【図４３】本発明の第４の実施形態に係る光論理演算回路６００の構成を示すブロック図である。
【図４４】（ａ）は図４３の光論理演算回路６００のＯＲ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、（ｂ）は図４３の光論理演算回路６００のＡＮＤ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、（ｃ）は図４３の光論理演算回路６００のＮＯＴ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、（ｄ）は図４３の光論理演算回路６００のＥＸＯＲ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフである。
【図４５】本発明の実施形態に係る第４の実験システムの構成を示すブロック図である。
【図４６】図４５の第４の実験システムの実験結果であって、制御光の平均電力に対する出力信号光の平均電力を示すグラフである。
【図４７】本発明の実施形態に係る第５の実験システムの第１の部分の構成を示すブロック図である。
【図４８】本発明の実施形態に係る第５の実験システムの第２の部分の構成を示すブロック図である。
【図４９】（ａ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０１Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０１Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＡを示すグラフであり、（ｂ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０２Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０２Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＢを示すグラフであり、（ｃ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０３Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０３Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＣを示すグラフである。
【図５０】（ａ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０１Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０１Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＤを示すグラフであり、（ｂ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０２Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０２Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＥを示すグラフであり、（ｃ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０３Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０３Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＦを示すグラフである。
【図５１】（ａ）は制御光パルスの平均電力が２００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフであり、（ｂ）は制御光パルスの平均電力が７００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフであり、（ｃ）は制御光パルスの平均電力が１０００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００７３】
第１の実施形態．
図１は本発明の第１の実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００の動作を示すブロック図及びタイミングチャートである。本実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００は、入力される光アナログ信号を標本化し、符号化し、量子化することにより光ディジタル信号を出力する。図１の例では、光アナログ信号を４ビットの光ディジタル信号にＡ／Ｄ変換することが例示されている。
【００７４】
図２は図１の光Ａ／Ｄ変換装置１００の詳細構成を示すブロック図である。図２において、光Ａ／Ｄ変換装置１００は主として、光標本化回路４１と、光符号化回路２００と、光量子化回路３００とを備えて構成される。ここで、光符号化回路２００は複数の光符号化器２０１，２０２，２０３を備え、光量子化回路３００は複数の光しきい値処理器３０１，３０２，３０３を備える。
【００７５】
標本化信号発生器３０は、所定の周波数の標本化信号を発生してレーザダイオード３１及び光標本化回路４１に出力する。レーザダイオード３１は入力される標本化信号の周期で間欠的に、所定の波長λ１を有し、一定の信号レベルの信号光のパルス列を発生して光アイソレータ３２を介して光分配器５６に出力する。次いで、光分配器５６は入力される信号光を複数分配して、分配後の信号光を光符号化回路２００の各光符号化器２０１，２０２，２０３に出力する。一方、光Ａ／Ｄ変換すべき入力される光アナログ信号（波長λ２）は光標本化回路４１に入力され、光標本化回路４１は例えば光時間多重の分離処理などで公知の回路（例えば、非特許文献４参照。）であって、光アナログ信号を上記入力される標本化信号の周期で標本化し、標本化された光アナログ信号である制御光（波長λ２）を発生して光アイソレータ４２を介して光分配器５５に出力する。次いで、光分配器５５は入力される制御光を複数分配して、分配後の信号光を光符号化回路２００の各光符号化器２０１，２０２，２０３に出力する。
【００７６】
各光符号化器２０１，２０２，２０３は、互いに異なる、入力される制御光のパワーレベルに対する出力信号光のパワーレベルの周期特性を有し、好ましくは、それらの周期が２のべき乗の関係を有し（例えば、光符号化器２０１はその周期２Ｔを有し、光符号化器２０２は周期Ｔを有し、光符号化器２０３は周期Ｔ／２を有する。これについては図５を参照して詳細後述する。）、入力される信号光を制御光に従って符号化して符号化後の信号光をそれぞれ光しきい値処理器３０１，３０２，３０３に出力する。さらに、各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３は、入力される信号光を所定の２値の光ディジタル信号（本実施形態では、１ビット量子化を行い、出力される光ディジタル信号は２値であるが、多値であってもよい。）に量子化した後、出力する。
【００７７】
図３は図２の光符号化器２０１の詳細構成を示すブロック図であり、他の光符号化器２０２，２０３についても光符号化器２０１と同様に構成される。図３において、光符号化器２０１は、非線形光ループミラー（Non-linear Optical Loop Miller）１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光ファイバケーブル１９とを備えて構成される。
【００７８】
ここで、非線形光ループミラー１０は、制御光と信号光の間には異なる群遅延のために生じるウォークオフの問題を解消するため、それぞれ異なる群遅延特性（又は分散値）を有する所定長の複数本（少なくとも２本）の分散高非線形光ファイバケーブルを縦続接続してループを構成してなる（例えば、非特許文献３及び４参照。）。非線形光ループミラー１０の一端付近及びその他端付近を互いに光学的に結合するように近接することにより、光カップラ１１を構成する。当該光カップラ１１において、図３に示すように以下のように端子を定義する。
（１）信号光を入力するための、非線形光ループミラー１０の一端側の端子をＴ１１とする。
（２）光符号化された信号光を出力するための、他端側の端子をＴ１２とする。
（３）一端近傍であってループ内側の端子をＴ２１とする。
（４）他端近傍であってループ内側の端子Ｔ２２とする。
【００７９】
また、光カップラ１１の端子Ｔ２１の近傍である非線形光ループミラー１０の光ファイバケーブルに対して光学的に結合するように別の光ファイバケーブル１９が近接配置され、その近接配置部分で光カップラ１２を構成する。当該光カップラ１２において、図３に示すように以下のように端子を定義する。
（１）制御光を入力するための、光ファイバケーブル１９の一端側の端子をＴ３１とする。
（２）光カップラ１１の端子Ｔ２１に近接する、非線形光ループミラー１０上の端子をＴ３２とする。
（３）光ファイバケーブル１９の他端側の端子をＴ４１とする。
（４）光カップラ１１の端子Ｔ２１よりは、非線形光ループミラー１０の他端側（端子Ｔ２２側）の非線形光ループミラー１０上の端子をＴ４２とする。
【００８０】
さらに、光ファイバケーブル１９の他端は光アイソレータ１３を介して無反射終端される。従って、制御光は光ファイバケーブル１９の一端から入射して光カップラ１２を通過し、一方の制御光は光アイソレータ１３を介して無反射終端されるが、光カップラ１２で分岐した他方の制御光は光カップラ１２の端子Ｔ４２を介して非線形光ループミラー１０中のループ内に出力される。また、非線形光ループミラー１０の端子Ｔ１２側の他端には、信号光の波長λ１のみを帯域通過ろ波するための光帯域通過フィルタ１４が接続されている。
【００８１】
以上のように構成された非線形光ループミラー１０において、光カップラ１１の分岐比（例えば、端子Ｔ１１から入力した光信号を端子Ｔ２１と端子Ｔ２２に分岐するときの分岐比）を１：１に設定したとき、端子Ｔ１１に入射した信号光は完全に入力端側に反射されることになる。本実施形態では、入射される信号光を出力端側に透過させる必要があるので、非線形光ループミラー１０を制御光のパルス列を用いた右回りのみに位相シフトを与えることで、右回りで伝播する光信号と、左回りで伝播する光信号とで受ける位相差を変化させることができ、これにより、入力される信号光を反射させるか透過させるかを選択できる。この動作特徴を光符号化器と光しきい値処理器におけるしきい値処理やスイッチングに利用する。
【００８２】
本実施形態においては、信号光と制御光との間のＸＰＭ（Cross Phase Modulation：相互位相変調）により、非線形光ループミラー１０のループ中の右回りのパルスと左回りのパルスに位相差が生じさせ、制御光の信号レベルに従って、信号光の出力レベルを変化させる。すなわち、非線形光ループミラー１０における右回りの光信号の伝播において、信号光の電界をＥ１とし、制御光の電界をＥ２とすると、電界Ｅ１が長さＬの光ファイバケーブルを伝送した際に受ける非線形性による位相変化φ１ＲＮＬは次式で表される。
【００８３】
［数１］
φ１ＲＮＬ＝γＬ［｜Ｅ１｜２＋２｜Ｅ２｜２］ （１）
【００８４】
ただし、ω１は電界Ｅ１の角周波数であり、非線形性を表す係数γを用いて次式で表される。
【００８５】
［数２］
γ＝（ω１ｎ２）／（ｃＡｅｆｆ） （２）
【００８６】
ここで、ｃは真空中での光速であり、Ａｅｆｆはファイバの有効コア断面積であり、ｎ２は非線形屈折率係数である。また、Ｅ１Ｅ２での偏波面は揃っているとする。さらに、非線形光ループミラー１０における左回りの伝播において、信号光の電界をＥ１とし、長さＬの光ファイバを伝送した際に受ける位相変化φ１ＬＮＬは次式で表される。
【００８７】
［数３］
φ１ＬＮＬ＝γＬ｜Ｅ１｜２ （３）
【００８８】
このとき、右回りと左回りの信号光が受ける位相差Δφ１ＮＬは次式で表される。
【００８９】
［数４］
Δφ１ＲＮＬ＝２γ｜Ｅ２｜２Ｌ （４）
【００９０】
この位相差のために右回りと左回りの信号光は干渉を起こす。位相差は制御光のパルス列の強度に比例するために、信号光のパルス列の非線形光ループミラー１０からの出力信号光は、制御光の入力電力に対して、図４に示すような周期的な特性を示す。
【００９１】
なお、多周期にわたる特性の利用には、制御光により高いパワーが必要であるが、このためには、例えばより非線形が高い光ファイバケーブルを用いて非線形光ループミラー１０を構成すればよい。また、非線形光ループミラー１０のループ長については、ループ長が長いほど、制御光は弱くて良いために出来るだけ長くすることが好ましいが、群遅延の差をできるかぎり小さくする必要があると考察できる。
【００９２】
図５は図３の光符号化回路２００の動作例を示すグラフ及びブロック図である。図５においては、各光符号化器２０１，２０２，２０３は、互いに異なる、入力される制御光のパワーレベルに対する出力信号光のパワーレベルの周期特性を有し、特に、それらの周期が２のべき乗の関係を有している場合であり、光符号化器２０１はその周期２Ｔを有し、光符号化器２０２は周期Ｔを有し、光符号化器２０３は周期Ｔ／２を有している。図５の動作例では、入力された時刻ｔ１における信号光が光符号化器２０１，２０２，２０３により符号化された後、光しきい値処理器３０１，３０２，３０３により量子化されて（詳細後述）、３ビットの符号「００１」の光ディジタル信号が出力されることを示されている。なお、Ｎビットの符号の光ディジタル信号を得るためには、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器を設ける必要がある。ここで、Ｎは量子化ビット数を表し、自然数である。
【００９３】
図６は図２の光しきい値処理器３０１の詳細構成及びその動作を示すブロック図及びグラフであり、光しきい値処理器３０２，３０３も光しきい値処理器３０１と同様に構成される。図６において、光しきい値処理器３０１は、非線形光ループミラー２０と、２個の光カップラ２１，２２と、光アイソレータ２３と、光帯域通過フィルタ２４と、レーザダイオード２５と、光アイソレータ２６と、光ファイバケーブル２９とを備えて構成される。ここで、非線形光ループミラー２０と、２個の光カップラ２１，２２と、光アイソレータ２３と、光帯域通過フィルタ２４と、光ファイバケーブル２９との接続構成は、光符号化器２０１と同様である。
【００９４】
レーザダイオード２５は、光標本化信号発生器３０から入力される標本化信号の周期で間欠的に、所定の波長λ３を有し、一定の信号レベルの搬送波光のパルス列（搬送波光はパルス列に代えて、連続光であってもよい。）を発生して光アイソレータ２６を介して非線形光ループミラー２０の一端（光カップラ２１の入力端）に入射するように出力する。一方、光符号化器２０１からの信号光は光ファイバケーブル２９の一端を介して入射して光カップラ２２を通過分岐し、光カップラ２２を通過する一方の信号光は光アイソレータ２３を介して無反射終端されるが、光カップラ２２で分岐した他方の信号光は光カップラ２２を介して非線形光ループミラー２０中のループ内に出力される。また、非線形光ループミラー２０の他端には、搬送波光の波長λ３のみを帯域通過ろ波するための光帯域通過フィルタ２４が接続されている。
【００９５】
以上のように構成された光しきい値処理器３０１の動作について図７を参照して説明する。図７は１ビット量子化の動作例であり、光しきい値処理器３０１の入出力が例えば線形特性４０１であれば、入力される信号光はそのまま出力されて量子化できないが、例えば第１の入出力特性４０２（光強度に関する）を有する場合、より小さい光信号はより小さく０に近づく一方、より大きな光信号はより大きく１に近づくように変換される。さらに、第２の入出力特性４０３（光強度に関する）を用いる方がより２値化に近い出力光を得ることができる。なお、第２の入出力特性４０３を得るために、詳細後述するように、光しきい値処理器を多段で縦続接続することが好ましい。
【００９６】
図８は図２の光符号化回路２００及び光量子化回路３００の詳細構成を示すブロック図であり、図９は図８の各光符号化器２０１，２０２，２０３の動作例を示すグラフであり、図９（ａ）は光符号化器２０１の動作例を示し、図９（ｂ）は光符号化器２０２の動作例を示し、図９（ｃ）は光符号化器２０３の動作例を示す。また、図１０は図８の各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３の動作例を示すグラフであり、図１０（ａ）は光しきい値処理器３０１の動作例を示し、図１０（ｂ）は光しきい値処理器３０２の動作例を示し、図１０（ｃ）は光しきい値処理器３０３の動作例を示す。
【００９７】
図８に示すように、光符号化回路２００と光量子化回路３００とを構成した場合、各光符号化器２０１，２０２，２０３の光強度に関する入出力特性をそれぞれ図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示している。ここで、各光符号化器２０１，２０２，２０３は、図９から明らかなように、互いに異なる、入力される制御光のパワーレベルに対する出力信号光のパワーレベルの周期特性を有し、特に、それらの周期が２のべき乗の関係を有している場合であり、光符号化器２０１はその周期２Ｔを有し、光符号化器２０２は周期Ｔを有し、光符号化器２０３は周期Ｔ／２を有している。これら図９に示す信号光をそれぞれ光しきい値処理器３０１，３０２，３０３に入射した場合、図１０に示すようにある程度量子化することができるが、さらに、急峻な量子化特性を得ることが所望される。
【００９８】
これを実現するために、図１１に示すように、光量子化回路３００Ａにおいて、光しきい値処理器を多段で縦続接続している。図１１において、光符号化器２０１の後段において、２段で縦続接続された光しきい値処理器３０１，３１１が接続されている。また、光符号化器２０２の後段において、３段で縦続接続された光しきい値処理器３０２，３１２，３２２が接続されている。さらに、光符号化器２０３の後段において、４段で縦続接続された光しきい値処理器３０３，３１３，３２３，３３３が接続されている。以上のように構成された光量子化回路３００Ａの動作例を図１２に示している。図１２から明らかなように、光しきい値処理器の縦続接続の段数が多いほど、より急峻な矩形化された光強度に関する入出力特性を得ることができる。
【００９９】
以上の実施形態においては、非線形光ループミラーを用いて光しきい値処理器３０１，３０２，３０３を構成しているが、本発明はこれに限らず、非線形光ループミラーのループ中に増幅器を備えた非線形増幅ループミラー（Nonlinear Amplifying Loop Mirror；以下、ＮＡＬＭという。例えば非特許文献４参照。）を用いて構成してもよい。
【０１００】
以上の実施形態においては、光符号化器２０１，２０２，２０３を非線形光ループミラー１０を用いて構成し、光しきい値処理器３０１，３０２，３０３を非線形光ループミラー２０を用いて構成しているが、本発明はこれに限らず、光符号化器２０１，２０２，２０３や光しきい値処理器３０１，３０２，３０３を、光カー効果などの非線形光学効果を有する光ファイバケーブル又は光導波路を用いて構成してもよい。ここで、光カー効果とは、光ファイバケーブル中で発生する非線形光学効果の現象をいい、一般に、光信号の強度に依存して屈折率が変化する非線形屈折率現象をいう。非線形光ループミラー１０と同様の周期特性が得られることが、例えば非特許文献５及び６において開示されている。
【０１０１】
図２３は、本発明の第１の変形例に係る導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。第１の変形例に係る導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器においては、図２３に示すように、３本の光導波路８１，８２，８３が形成され、ここで、少なくとも所定の２箇所でこれら２本の光導波路８１，８２が光学的に結合するように近接されてそれぞれ光カップラ９１，９２を形成する。
【０１０２】
光カップラ９１の光導波路８２上の入力端子をＴ１０１とし、その出力端子をＴ１０３とする一方、光カップラ９１の光導波路８１上の入力端子をＴ１０２とし、その出力端子をＴ１０４とする。また、光カップラ９２の光導波路８２上の入力端子をＴ１１１とし、その出力端子をＴ１１３とする一方、光カップラ９２の光導波路８１上の入力端子をＴ１１２とし、その出力端子をＴ１１４とする。さらに、光カップラ９２の出力端子Ｔ１１４には、後述する出力信号光のみを帯域ろ波する光帯域通過フィルタ９５が接続される。
【０１０３】
また、光カップラ９１の出力端子Ｔ１０４と、光カップラ９２の入力端子Ｔ１１２との間において、光導波路８１に対して光学的に結合するように近接して光導波路８３が形成されて、当該近接箇所において、光カップラ９３が形成される。光カップラ９３の光導波路８１上の入力端子をＴ１２１とし、その出力端子をＴ１２３とする一方、光カップラ９３の光導波路８３上の入力端子をＴ１２２とし、その出力端子をＴ１２４とする。さらに、光カップラ９３の出力端子Ｔ１２４は光アイソレータ９４を介して無反射終端される。
【０１０４】
以上のように構成された、導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器において、波長λ１を有し所定の周期の信号光のパルス列を光カップラ９１の入力端子Ｔ１０１に入力することにより、当該信号光のパルス列を光導波路８２及び８１に分配して入射させる一方、波長λ２を有し所定の周期の制御光のサンプリングされたアナログパルス列を光カップラ９３の入力端子Ｔ１２２に入力することにより、当該制御光のパルス列を光導波路８１に入射させる。ここで、信号光と制御光との間のＸＰＭにより、制御光のパルス列に従って、光カップラ９１で分配された光導波路８１上の片側の信号光のみに位相変化を生じさせ、上記光カップラ９１により分配した２つの信号光を光カップラ９２で再び合成することにより、制御光の信号レベルに従って、信号光の出力レベルを変化させることができる。当該導波路型マッハツェンダ干渉計から出力される出力信号光は、光カップラ９２から光帯域通過フィルタ９５を介して取り出し、当該出力信号光は、制御光の出力電力に対して、図４に示すような非線形ループミラーの場合と同様な周期的な特性を示す。当該導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器は、図３の光符号化器２０１と同様に、制御光を光符号化して、光符号化された出力信号光を出力する。また、図２３の光符号化器は、図６の光しきい値処理器３０１と同様に、光しきい値処理器としても動作させることができる。
【０１０５】
図２４は本発明の第２の変形例に係る分散不平衡型非線形光ループミラーを用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。第２の変形例に係る光符号化器における分散不平衡型非線形光ループミラー（Dispersion Imbalanced-Nonlinear Optical Loop Mirror；以下、ＤＩ−ＮＯＬＭという。例えば、非特許文献７，８及び９参照。）は、光受動素子のみで構成される非線形光ループミラーとして知られている。
【０１０６】
第２の変形例に係るＤＩ−ＮＯＬＭを用いた光しきい値処理器は、図２４に示すように、分散値Ｄ１と長さＬ１を有する光ファイバケーブル１０１と、分散値Ｄ２（Ｄ２＜Ｄ１））と長さＬ２を有する光ファイバケーブル１０２とを縦続に接続し、光ファイバケーブル１０１の入力端と、光ファイバケーブル１０２の出力端とを、互いに光学的に結合するように近接することにより、４つの端子Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３，Ｔ１２４を有する光カップラ１０５を形成する。また、光カップラ１０５の端子Ｔ１２４の近傍であって、光ファイバケーブル１０２の途中に、偏波コントローラ１０６を設けるとともに、光カップラ１０５の出力端子Ｔ１２２には、光ファイバケーブル１０２及び分散補償光ファイバケーブル１０３を介して、出力制御光を取り出す光帯域通過フィルタ１０４を接続されている。
【０１０７】
以上のように構成されたＤＩ−ＮＯＬＭを用いた光しきい値処理器は、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）や非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）と同様に、入射光である制御光の強度に依存する特性を有している。また、偏波コントローラ１０６は、ループ部の偏波を調節するために設けられ、分散補償光ファイバケーブル１０３はループ部の光ファイバケーブル１０１，１０２で受けた分散を補償するものであり、ＤＩ−ＮＯＬＭには必要不可欠なものである。
【０１０８】
ＤＩ−ＮＯＬＭにおける光カップラ１０５の入力端子Ｔ１２１に１つの光パルスが入射すると、光カップラ１０５により時計回りのパルス及び反時計回りの光パルスに１：１の比率で分配される。時計回りの光パルスの伝播に関しては、当該光パルスが光ファイバケーブル１０１に入射すると、高分散（分散値Ｄ１）のためパルス幅が拡がり、ピークパワーが低下する。その後、光パルスは分散値が非常に低い（Ｄ２≒０）光ファイバケーブル１０２を低いピークパワーを維持しながら伝播する。それに対して、反時計回りの伝播に関しては、まず、入射パルスは分散値が小さい光ファイバケーブル１０２を高いピークパワーを維持しながら伝播する。その後、光パルスは光ファイバケーブル１０１に入射される。光ファイバケーブル１０１では高い分散値のために入射後すぐに分散効果を受け、パルス幅が広がりピークパワーが低下する。時計回りと反時計回りの光パルスを比較すると、反時計回りの光パルスの方が高いピークパワーで伝播する距離が長いため、ループ部で受けるＳＰＭ（Self Phase Modulation）の影響は時計回りの光パルスに比べて大きい。このようにして、時計回りの光パルスと反時計回りの光パルスのループ部で受けたＳＰＭの違いによって、入射する制御光の光パルスを透過、あるいは反射させることが可能となる。ＤＩ−ＮＯＬＭの特長としては、信号光や光増幅器等が不要であり、光受動素子のみで構成されること、３ｄＢの光カップラ１０５を用いることで、連続光（Continuous-Wave：ＣＷ）を完全に反射できるということ、分散補償光ファイバケーブル１０３を用いているためループ部の光ファイバケーブルの長さを比較的長くできることが挙げられる。このＤＩ−ＮＯＬＭを用いることで光しきい値処理が光受動素子のみで簡単に行うことが可能となる。
【０１０９】
以上のように構成された、ＤＩ−ＮＯＬＭを用いた光しきい値処理器は、図６の光しきい値処理器３０１と同様に動作させることができる。
【０１１０】
図２５は本発明の第３の変形例に係る光カー効果を有するカーシャッタを用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。当該光カー効果を有するカーシャッタは、図２５に示すように、例えば２．０以上の複屈折を有する高複屈折光ファイバケーブル１１１と、それに接続される偏光子１１２とを備えて構成され、例えば非特許文献５の図６．１において開示されているものである。
【０１１１】
図２５において、信号光と制御光とをともに直線偏光で互いに４５度の角度を持たせて高複屈折光ファイバケーブル１１１の入力端から入力する。信号光が無い場合には制御光は偏光子１１２で遮断されて出力端から出力されないが、信号光を入力することで信号光による複屈折のために制御光の偏光が回転し制御光は偏光子１１２を通過して出力されるようになる。制御光の出力電力は信号光の強度により周期的に変化する。
【０１１２】
以上のように構成された、光カー効果を有するカーシャッタを用いた光符号化器においては、図３の光符号化器２０１と同様に、制御光を光符号化して、光符号化された出力信号光を出力する。また、図２５の光符号化器は、図６の光しきい値処理器３０１と同様に、光しきい値処理器としても動作させることができる。
【実施例１】
【０１１３】
図１３は本実施形態に係る実験システムの詳細構成を示すブロック図である。図１３の実験システムにおいて、ファイバリングレーザ（ＦＲＬ）５０は例えば８０ＧＨｚの標本化周波数を有する光アナログ信号を発生して光分配器５７に出力し、光分配器５７は入力される光アナログ信号を２分配して光帯域通過フィルタ５１，５２に出力する。光帯域通過フィルタ５１は入力される光アナログ信号を、所定の波長λ１のみを帯域通過ろ波しかつ、例えば２ピコ秒のパルス幅を有するパルス列を発生して光分配器５６に出力し、光分配器５６は入力される光アナログ信号を３分配して、遅延回路１５及び光アイソレータ１６を介して各光符号化器２０１，２０２，２０３の非線形光ループミラー１０に出力する。
【０１１４】
一方、光帯域通過フィルタ５２は入力される光アナログ信号を、所定の波長λ２のみを帯域通過ろ波しかつ、例えば８ピコ秒のパルス幅を有するパルス列を発生して光変調器５３に出力し、光変調器５３は入力される光アナログ信号を、データ信号発生器５４からのデータ信号に従って強度変調した後、光分配器５６に出力する。ここで、波長λ２は波長λ１の近傍の波長である。光分配器５５は入力される光アナログ信号を３分配して、光増幅器１７及び光アイソレータ１８を介して各光符号化器２０１，２０２，２０３の光カップラ１２を介して非線形光ループミラー１０のループ内に出力する。
【０１１５】
各光符号化器２０１，２０２，２０３では、信号光を制御光の信号レベルに従って符号化し、符号化された信号光は光帯域通過フィルタ１４、光増幅器２７及び光アイソレータ２８を介して各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３の光カップラ２２を介して非線形光ループミラー２０のループ中に出力される。一方、レーザダイオード２５により発生された波長λ３の搬送波光（ここで、波長λ３は波長λ１の近傍波長である。）は光アイソレータ２６を介して各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３の非線形光ループミラー２０のループ中に入力される。これにより、各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３では、搬送波光を信号光の信号レベルに従って量子化し、量子化された搬送波光は光帯域通過フィルタ２４を介して外部光回路に出力される。
【０１１６】
図１４は図１３の光符号化回路２００の符号化処理の動作例を示すグラフであって、図１４（ａ）は光符号化器２０１の符号化処理の動作例を示し、図１４（ｂ）は光符号化器２０２の符号化処理の動作例を示し、図１４（ｃ）は光符号化器２０３の符号化処理の動作例を示す。また、図１５は図１３の光符号化回路２００を用いた符号化処理における制御光（λ２）の入力アナログパルスの振幅に対する３ビット符号化値（＃１，＃２，＃３）を示すグラフである。図１４に示すように、各光符号化器２０１，２０２，２０３の光強度に関する入出力特性を設定することにより、入力される制御光の入力電力レベルに応じて適切に符号化されることがわかる。また、図１５に示すように、制御光（λ２）の入力アナログパルスの振幅に対して符号値は１対１で対応するように符号化されており、上述のように、各光符号化器２０１，２０２，２０３の光強度に関する入出力特性（特に、非線形光ループミラー１０の周期特性）を変更することにより符号化処理に自由度を与えることができる。
【０１１７】
図１６は図１３において理想的な非線形光ループミラーを用いて実験システムを構成したときに、１段の光しきい値処理器の処理後のアナログパルスの振幅を変化したときの符号化後の３ビット符号化値（＃１，＃２，＃３）とそのパルス波形を示す図である。図１６から明らかなように、アナログパルスの振幅に応じて適切に符号化された光ディジタル信号が得られることがわかる。
【実施例２】
【０１１８】
次いで、本発明者らが行ったシミュレーションとその結果について以下に説明する。このシミュレーションの諸元を以下の表に示す。
【０１１９】
【表１】
【０１２０】
【表２】
【０１２１】
【表３】
【０１２２】
図１７は本実施形態に係る第１のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。図１７において、ファイバリングレーザ（ＦＲＬ）６１は波長λ１の信号光を発生して光符号化器２０１の非線形光ループミラー１０のループ中に出力する。一方、ファイバリングレーザ（ＦＲＬ）６２は波長λ２の制御光を発生して光遅延回路６３及び光カップラ１２を介して光符号化器２０１の非線形光ループミラー１０のループ中に出力する。光符号化器２０１は信号光を入力される制御光の信号レベルに応じて符号化し、符号化された信号光を光帯域通過フィルタ１４を介して出力する。
【０１２３】
図１８は図１７の第１のシミュレーションの結果であって、制御光（λ２）のパルスのピークパワーに対する信号光（λ１）のパルスのピークパワーを示すグラフである。図１８から明らかなように、図１７のシミュレーション値として、周期特性の理論値に近い結果が得られた。ただし、当該シミュレーションでは、四光波混合を無視している。なお、シミュレーション値と理論値との差は、非線形光ループミラー１０の分散によるウォークオフによるものと考えられる。
【実施例３】
【０１２４】
図１９は本実施形態に係る第２のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。図１９の第２のシミュレーションでは、図１７のシミュレーションに比較して、ファイバリングレーザ６２により発生したピークパワー１Ｗの制御光を、３段の３ｄＢ光カップラ７１，７２，７３を用いて減衰させ、３つの光信号レベルを有する制御光を発生してそれぞれ各光符号化器２０１，２０２，２０３に入力したときの出力信号光のレベルを測定した。なお、光カップラ７１からの制御光のレベルを１とすると、光カップラ７２からの制御光のレベルは１／２となり、光カップラ７３からの制御光のレベルは１／４となる。
【０１２５】
図２０は図１９の第２のシミュレーションの結果であって、図２０（ａ）は光符号化器２０１からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり、図２０（ｂ）は光符号化器２０２からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり図２０（ｃ）は光符号化器２０３からの信号電力のパルス波形を示す波形図である。図２０から明らかなように、各光符号化器２０１，２０２，２０３に入力される制御光のレベルに応じて符号化された信号光が得られている。
【実施例４】
【０１２６】
図２１は本実施形態に係る第３のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。図２１の第３のシミュレーションでは、図１９のシミュレーションに比較して、ファイバリングレーザ６２により発生した制御光のピークパワーを１．５Ｗに変更した場合であり、その他の構成は第２のシミュレーションと同様である。
【０１２７】
図２２は図２１の第３のシミュレーションの結果であって、図２２（ａ）は光符号化器２０１からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり、図２２（ｂ）は光符号化器２０２からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり図２２（ｃ）は光符号化器２０３からの信号電力のパルス波形を示す波形図である。図２２から明らかなように、各光符号化器２０１，２０２，２０３に入力される制御光のレベルに応じて符号化された信号光が得られている。また、図２０と図２２のシミュレーション結果を比較すれば、適切に符号化されていることがわかる。
【０１２８】
以上説明したように、本実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００によれば、標本化された光アナログ信号を光ディジタル信号に光Ａ／Ｄ変換することができ、標本化周波数の上限は数百ギガ数テラヘルツオーダーまで原理的に可能であり、電気回路のＡ／Ｄ変換の標本化周波数の限界を数十ギガヘルツとすると、二桁程度の高速化が可能である。また、入出力が光信号なので光ネットワークへの応用に適している。
【０１２９】
第２の実施形態．
次いで、第２の実施形態では、上記光Ａ／Ｄ変換装置１００などに用いられる非線形光ループミラー（Nonlinear Optical Loop Mirror：以下、ＮＯＬＭという。）について以下に説明する。
【０１３０】
従来用いられてきたＮＯＬＭは、入力光パワーと出力光パワーの間に図２７のような関係がある。ここで、入力光パワーとは、光パルスのＳＰＭ（self-phase modulation）による位相シフトを利用した干渉スイッチ（セルフスイッチ）の場合は信号光の入力パワーであり、制御光と信号光のＸＰＭ（cross-phase modulation：相互位相変調）による位相シフトを利用した干渉スイッチ（ＸＰＭスイッチ）の場合は制御光の入力パワーである。また出力光パワーとは、ＮＯＬＭの透過ポートより出力される信号光の出力光パワーである。また、以後、特に指定する場合を除き、制御光及び信号光はパルスの形態をとるものとする。
【０１３１】
入力パワーが十分小さい場合は、出力パワーも抑圧される。一方、入力パワーを大きくしていくと出力パワーも正弦波曲線に従って大きくなり、入力パワーがＰ１のときにピーク値をとる。この伝達関数を用いると、制御光のあるなしによる信号光の反射・透過を制御できるスイッチが実現できる。あるいは伝送により振幅のゆらいだ信号を制御光とし、それによるプローブ光のスイッチングを行うと、０レベルや１レベルが雑音によってゆらいだとしても、出力ではゆらぎが抑圧され、波形整形効果が期待できる。このように、半周期の正弦波曲線からなる伝達特性を持つＮＯＬＭがこれまで実現され、用いられてきた。
【０１３２】
このようなＮＯＬＭとしては、光パルスのＳＰＭによる位相シフトを利用した干渉スイッチ（例えば、非特許文献３参照。）、制御光と信号光のＸＰＭによる位相シフトを利用した干渉スイッチ（例えば、非特許文献１０参照。）の提案が発端であり、これに関連して高非線形ファイバを用いたＮＯＬＭ（例えば、特許文献２参照。）、ＮＯＬＭ中のＦＷＭを利用した信号処理（例えば、特許文献３参照。）、制御光と信号光のウォークオフを抑圧することでＸＰＭの効率を向上したＮＯＬＭ（例えば、特許文献５、特許文献２、特許文献６、特許文献７、特許文献８及び特許文献１０参照。）、そしてファイバを平均分散零の分散マネージメント構成とし、ウォークオフを減らすことに加え、制御光パワーの減少要因であるＦＷＭを抑圧することによってＸＰＭの効率を向上したもの（例えば、特許文献１０参照。）などがある。また、ＮＯＬＭにおける偏光に関する特性についてもいろいろ知られている（例えば、特許文献４及び特許文献９参照）。
【０１３３】
一方、光符号化器や光しきい値処理器では、図２８のように複数の周期からなる正弦波曲線である伝達特性を持つＮＯＬＭが使用されるが、従来技術ではこのようなＮＯＬＭは実現されていない。以下に示すように本発明の実施形態に係るＮＯＬＭは１周期以上の伝達関数を有し、光Ａ／Ｄ変換をはじめ種々の光信号処理に適した特性を与えることができる。
【０１３４】
図２６にＮＯＬＭ５００の構成を示す。ＮＯＬＭ５００は、光ファイバ５０１と、光信号の入力端５１０から入力された光信号５３０を２分岐して光ファイバ５０１の両端５１１、５１２に出力し、かつ上記光ファイバ５０１の両端５１１，５１２から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端５１０及び他の出力端５１３に分岐出力するように接続された光カップラ５０２と、制御光５３１を上記光ファイバ５０１に入力する制御光入力手段５２４と、上記光ファイバ５０１の光路上に配置される非線形媒質である高非線形ファイバ（以下、ＨＮＬＦ（High Non-Linear optical Fiber）という。）５０４からなる。ここで、入力信号光５３０は入力パワーＰｉｎと波長λＳを有し、制御光５３１は、ピークパワーＰｃと平均パワーＰａｖｅと波長λＣとを有する。
【０１３５】
光信号の入力端５１０から入力した入力パワーＰｉｎの信号光５３０は、光カップラ５０２でそれぞれ位相変化を伴わない伝搬光５３２、位相がπ／２だけ進んだ伝搬光５３３に分岐されて光ファイバ５０１で形成されたループを図面上それぞれ右回り、左回りに伝搬する。伝搬光５３２は、制御光入力手段５２４から入力されたピークパワーＰｃ、平均パワーＰａｖｅの制御光５３１とできるだけ広い範囲で重なるように合波されて、非線形性係数がγで長さがＬの非線形媒質であるＨＮＬＦ５０４をへて光ファイバ端５１２から光カップラ５０２に入力する。
【０１３６】
また、伝搬光５３３はファイバ５０１で形成されたループを図面上左回りに伝搬し、制御光とはほとんど重なることなく、ＨＮＬＦ５０４をへて光ファイバ端５１１から光カップラ５０２に入力する。
【０１３７】
制御光がない場合、右回りと左回りで発生する位相シフトにはほとんど差が生じない。そのため出力端５１３では位相シフトを伴わない右回りの伝搬光５３２の成分と光カップラ５０２で２回にわたってπ／２の位相シフトを受けた左回りの伝搬光５３３の成分とが相殺しあって出力は０となる。また、入力端５１０ではともに１回ずつπ／２の位相シフトを光カップラ５０２で受けた伝搬光５３２、５３３の各成分が強めあい、入力パワーとほぼ同じパワーの戻り光が入力した信号光５３０と逆方向に入力端５１０へ出力される。
【０１３８】
制御光５３１がある場合、伝搬光５３２はこれと重なるようにして、ＨＮＬＦ５０４を伝搬するため、伝搬光５３２と制御光５３１の間では制御光５３１のパワーに依存した相互位相変調（Cross-Phase Modulation：ＸＰＭ）による位相シフトが発生する。一方、伝搬光５３３はこのＸＰＭに起因する位相シフトがほとんど発生しないため、伝搬光５３２と伝搬光５３３の間には制御光５３１のパワーに依存した位相シフト差ができ、これによって入力端５１０及び他の出力端５１３に出力されるパワーを制御することができる。
【０１３９】
この系において、出力パワーＰｏｕｔの出力信号光５３４と、入力パワーＰｉｎの入力信号光５３０のパワー比は以下の伝達関数によって与えられる。
【０１４０】
［数５］
Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ＝［１−ｃｏｓ（φＸＰＭ）］／２ （５）
［数６］
φＸＰＭ＝２γ（Ｐｃ−Ｐａｖｅ）Ｌ （６）
【０１４１】
ここで、１周期以上、より好ましくは、２周期以上の伝達関数を実現するためには、制御光と信号光の間で発生するＸＰＭによる信号光の位相シフトの差φＸＰＭ＝２γ（Ｐｃ−Ｐａｖｅ）Ｌとして、少なくとも２π（１周期、図２８のＰ２に相当）あるいは４π（２周期、図２８のＰ４に相当）が必要である。
【０１４２】
そこで、
（ｉ）非線形媒質であるＨＮＬＦ５０４の非線形性、距離、そして制御光５３１のパワーのいずれか、あるいはすべてを大きくする、
（ii）制御光５３１と信号光５３０の偏光状態を最適（ＸＰＭの発生効率を最大）にする、
（iii）制御光５３１と信号光５３０の波長差が分散を介して群遅延が発生する（以下、ウォークオフという）のを避けるために、非線形媒質であるＨＮＬＦ５０４の分散値もしくは与えられた分散値に対して信号光５３０と制御光５３１の波長配置を変えることで、ウォークオフを抑えるように設定する、
（iv）ウォークオフも考慮に入れて、時間軸上で制御光５３１と信号光５３０の位置を最適にする、などの方法によって、効率よくＸＰＭを発生させ位相シフトを大きくすることができる。
【０１４３】
また、上記（iii）を実現するには、任意の波長で分散値が零のファイバ（分散フラットファイバ；ＤＦＦ）を用いるか、一定の分散スロープを持つ通常の分散シフトファイバ（ＤＳＦ）をファイバ５０４上で用いて、制御光５３１の波長λＣと信号光５３０の波長λＳの中間にそのファイバ（ＤＳＦ）の零分散波長λ０を設定する方法が考えられる。後者の方法ではファイバ（ＤＳＦ）の零分散波長が長手方向に揺らいだ場合に、波長λＣと波長λＳの波長差Δλと、分散値の積に比例してウォークオフが発生するため、その積をウォークオフの発生が問題にならない程度に抑制する必要がある。
【０１４４】
いずれの場合も波長λＣは零分散波長λ０に近くなり、波長λＣにおける分散値が零に近い値となる。このとき制御光５３１をポンプ光とする縮退四光波混合（ＦＷＭ）に伴う、パラメトリック利得が信号光５３０に対して生じる。この現象によって信号光５３０は右回りに制御光５３１とともに伝搬する際に増幅されるが、一方で左回りにそれのみで伝搬する信号光５３０は利得を受けないので、結果的に伝搬光５３２及び５３３のパワーに不均衡状態が発生する。そのような不均衡状態が顕著になると、図２８の入力パワーＰ２やＰ４において得られる出力パワーが十分に小さな値とならず、大きな問題となる。
【０１４５】
図２８の伝達関数において重要な点は、入力パワーＰ２やＰ４に対する出力パワーが、ピーク値（入力パワーＰ１やＰ３に対する出力パワーの値）を１とした場合に対して最適に設定したしきい値以下となることである。
【０１４６】
つまり、ＮＯＬＭの出力信号に対して、先に設定したしきい値を適用することで、ディジタル情報処理の基本である２進数の信号処理が実現される。例えばそのしきい値を０．５と設定したとき、入力パワーがＰ２やＰ４のときに、もし前述のパラメトリックプロセスによる利得が３ｄＢを上回れば、位相干渉によって透過されないはずの光が、パワー０．５を上回って透過されてしまうため、２進数の信号処理を行うことが不可能になる。一般に言えば、しきい値Ｔ（０＜Ｔ＜１；Ｐ２及びＰ４における出力パワーと、Ｐ１及びＰ３における出力パワーの比）、パラメトリック利得Ｇ（＞１；非線形媒質における伝搬光５３２の入出力パワーの比）に対して、Ｇ＜２Ｔ＋１であることが必要である。これによって、入力パワーＰ２やＰ４に対する出力パワーを所望のしきい値以下に抑えることができ、光Ａ／Ｄ変換をはじめとする光による２進数の信号処理が実現される。この事実は、図２８の伝達関数を持つＮＯＬＭを実現する上で非常に重要な知見であるが、これまで知られていなかった。
【０１４７】
そこで、制御光５３１と同じ向きに伝搬する信号光５３０が制御光５３１から受けるパラメトリック利得を所定の値（例えば３ｄＢ）以下に抑えるために、本発明の実施形態では、以下の方法を提案する。非特許文献５によると、一般に光ファイバ中において、直線偏光である周波数ωＣの連続光をポンプ光とする場合に、ポンプ光と同じ偏光状態で同じ方向に伝搬する周波数ωＳの信号光が得る縮退パラメトリック利得Ｇは、次式で与えられる。なお、ここでの議論で用いられる「ポンプ光」は、本発明の実施形態に係るＮＯＬＭにおける制御光に相当する。
【０１４８】
［数７］
Ｇ（ｚ）＝１＋（γ２Ｐ０２／ｇ２）ｓｉｎｈ２（ｇｚ） （７）
［数８］
ｇ２＝γ２Ｐ０２−κ２／４ （８）
［数９］
κ＝Δｋ＋２γＰ０ （９）
［数１０］
Δｋ＝Δω２ｋ０” （１０）
【０１４９】
ここで、ｚ，γ，Ｐ０，ｋ０”，Δωはそれぞれファイバの長さ［ｍ］、ファイバの非線形定数［Ｗ−１ｍ−１］、ポンプ光のパワー［Ｗ］、ファイバの分散値［ｓ２／ｍ］、そしてポンプ光と信号光の周波数差［ｓ−１］であり、ファイバの４次以上の分散や損失の効果は無視した。これらの値を与えれば、信号光が受けるパラメトリック利得は式（７）乃至式（１０）から一意に決定できる。例えば、ｚ＝０．３２［ｋｍ］，γ＝１７．５［Ｗ−１ｋｍ−１］、Ｐ０＝２［Ｗ］とした場合に、ｋ０”，Δωの値に対する利得の変化について考えてみる。なお、ファイバ分散値はｋ０”［ｐｓ２／ｋｍ］に対してｋ０”＝−１．２８４Ｄの関係を持つ分散Ｄ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］を用いることとし、周波数差Δωはポンプ光と信号光の波長差Δλ＝｜λＣ−λＳ｜を用いて、Δω＝２πｃΔλ／λと書けるものとする。ただし、ｃ＝２．９９８×１０８［ｍ／ｓ］及びλ＝１．５５［μｍ］はそれぞれ真空中における光速及び搬送波の波長である。まず、ポンプ光と信号光の波長差Δλを１０ｎｍとおき、ポンプ光の波長λＣにおけるファイバ分散値Ｄ（λＣ）を変化させた場合に、式（７）乃至式（１０）の計算より得られるパラメトリック利得を図２９に示す。
【０１５０】
図２９において、Ｄ≒１［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］で見られる大きな利得は、異常分散領域で発生する変調不安定現象として知られている。例えば、パラメトリック利得を３ｄＢ以下に抑えるためには、正常分散領域でＡ点における分散値Ｄ’よりも小さな値にするか、異常分散領域においてＢ点における分散値Ｄ”よりも大きな値に設定する必要がある。図２９において一般に｜Ｄ’｜＜｜Ｄ”｜であるが、分散値の絶対値に比例するウォークオフを低減することを考えると、絶対値の小さな正常分散値であるＤ’を採用することが好ましい。また、大きなエネルギーを持つパルスが異常分散ファイバを伝搬すると、高次ソリトンを励起することで制御光の波形が著しく劣化し、結果的にＸＰＭの効率が劣化することも考えられるため、この点からも、異常分散値Ｄ”を採用することは、Ｄ’と比べて好ましくない。ただし、ウォークオフやソリトン励起による波形劣化が問題とならなければ、図２９のＤ＞Ｄ”の条件で、ファイバの分散値を異常分散とすることも可能である。
【０１５１】
次に、分散値をＤ＝−０．６２［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］とおき、ポンプ光と信号光の波長差Δλ＝｜λＣ−λＳ｜を変化させたときに、式（７）乃至式（１０）より得られるパラメトリック利得を図３０に示す。図３０より、Δλを大きくすることで、パラメトリック利得が抑圧されることがわかる。例えばパラメトリック利得を３ｄＢ以下にするという条件のもとで、ウォークオフやパルスの波形広がりなど分散による影響を最小にしたければ、ポンプ光と信号光の波長差を図３０のＣ点における値Δλ’に設定すればよい。
【０１５２】
以上のように、パラメトリック利得を一定値以下に抑圧するためには、ポンプ光の波長におけるファイバの分散値を、一定値以上のパラメトリック利得を与える最小の分散値（図２９中のＡ点に対応）よりも小さな値にすること、もしくは一定値以上のパラメトリック利得を与える最大の分散値（図２９中のＢ点に対応）よりも大きな値にすることと、ポンプ光と信号光の波長差を一定値以上のパラメトリック利得を与える最大の波長差（図３０中のＣ点に対応）よりも大きくすることが有効であることが示された。なお、図２９、図３０中のＡ，Ｂ，Ｃ点はそれぞれのグラフの包絡線上で与えてもよい。
【０１５３】
いま考えている図２６のＮＯＬＭ５００中で同一方向に伝搬する制御光５３１と信号光５３０（伝搬光５３２）の間で発生するパラメトリックプロセスを考える場合、それらが単一周波数の連続光ではなく、パワーが時間によって変化するパルスであること、そしてパルス同士のウォークオフや偏光状態の不一致などにより制御光及び信号光パルス間のＦＷＭの効率が劣化することなど、様々な要因から式（７）乃至（１０）の計算結果は誤差を生ずる。しかし、図２９や図３０に示したパラメトリック利得の各種パラメータ依存性は、ＮＯＬＭ５００中のパルスの場合についても、実験的に測定することが可能であり、具体的にどのような分散値、あるいは波長差を与えればよいかという指針を与えることができる。
【０１５４】
図３１及び図３２において、ＮＯＬＭ５００中を同一方向に伝搬する制御光５３１と信号光５３０（伝搬光５３２）の間で発生するパラメトリック利得を効果的に抑圧し得る、ファイバの波長分散特性と制御光、信号光の波長配置を示す。図３１はファイバの波長分散特性がｄＤ／ｄλ＞０の場合であって、λＣ＜λＳ＜λ０である。さらに、図２９及び図３０において、いまの場合についての分散Ｄ’及び波長差Δλ’を用いて、Ｄ（λＣ）＜Ｄ’、Δλ＝｜λＣ−λＳ｜＞Δλ’を満たしているものとする。図３２はｄＤ／ｄλ＜０の場合であって、以下は図３１の条件と同様である。
【０１５５】
ポンプ光である制御光５３１の波長λＣにおける正常分散値Ｄ（λＣ）＜０及び制御光５３１と信号光５３０の波長差Δλは、それぞれが大きい値であるほどパラメトリック利得も抑圧されるが、逆に大きくしすぎると、ウォークオフの増大や、分散によるそれぞれのパルスの波形ひずみに起因してＸＰＭの効率が劣化するため好ましくない。そこで、信号光５３０が得るパラメトリック利得がある値以下になるように、かつＸＰＭの効率が低減されないよう制御光５３１と信号光５３０のウォークオフや時間差、あるいはそれらの偏光状態を最適に設定した設計を行うことで、図２８のような伝達関数を持つＮＯＬＭが実現可能となる。なお、ウォークオフは制御光５３１と信号光５３０の波長差Δλと、制御光５３１の波長λＣにおける分散値Ｄ（λＣ）との積の絶対値に比例するので、それを抑制すればよい。また、図３１及び図３２で制御光と信号光の波長を入れ換えた場合でも、Ｄ（λＣ）＜Ｄ’が満たされていればよい。またループ中のファイバ及び非線形媒質の偏光が常に保持されるような構成にすることで、ＸＰＭをより効率的に発生させることができる。具体的には偏光保持ファイバを用いて、制御光と信号光が常に同じ直線偏光であるようにすればよい。その際パラメトリックプロセスによる信号光の利得も増大するが、その点も考慮して先に述べた設計方法を適用すればよい。
【０１５６】
以上に図２８のような伝達関数をもつＮＯＬＭを設計する方法について述べたが、これを簡単にまとめたものを図３３に示す。本発明の実施形態に係るＮＯＬＭは、図３３のフローチャートに示される設計処理の手順に従って行われる。
【０１５７】
図３３において、まず、ステップＳ１において、ＮＯＬＭの伝達関数を決定し、すなわち、１−ｃｏｓφで角度φの最大値φｍａｘを決定する。次いで、ステップＳ２において、伝達関数において、所望の信号処理に適したしきい値を決定し、ステップＳ３において、ＮＯＬＭに用いるファイバパラメータ及び制御光の条件を仮決めする。そして、ＸＰＭによる位相シフトの最大値が、角度の最大値φｍａｘに及んでいるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ５に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３に戻る。さらに、ステップＳ５において、伝達関数の角度φ＝２ｎπ（ｎ＝１，２，…）に対する条件で、信号光が制御光から受けるパラメトリック利得が先に設定したしきい値以下であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ６に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３に戻る。さらに、ステップＳ６では、当該条件での設計を確定し、当該設計処理を終了する。
【０１５８】
本発明の実施形態によって、出力光パワーの制御範囲が１周期をこえ、位相差２ｎπ（ｎ＝１，２，…）における出力光パワーをピークパワーに対して光信号処理で必要とされるしきい値以下に抑えることができるＮＯＬＭが実現された。この用途のひとつは、光Ａ／Ｄ変換である。他に考えられる形態は、例えばＱＡＭ、ＰＳＫ、ＡＳＫなど多値通信の復号化がある。別の視点からは、ＮＯＬＭ中のＸＰＭを用いたスイッチングではなく、制御光によって信号光に与えられるパラメトリック利得を積極的に用いたスイッチングデバイスの実現なども考えられる。
【実施例５】
【０１５９】
図３４は本発明の実施形態に係るＮＯＬＭ５５０の形態を示している。以下では、ＮＯＬＭの５５０伝達関数においてしきい値を０．５と設定した場合の信号処理を仮定して、これに対応できるＮＯＬＭの実施例について述べる。
【０１６０】
ＮＯＬＭ５５０において、信号光は入力端５８０から入力し３ｄＢカップラ５５２で分岐された後にそれぞれ光ファイバ５５１を逆方向に伝搬する。右回りの信号光には制御光入力端５７１から入力される制御光がＷＤＭカップラ５７４を介して広い範囲で重なるように合波された後に、１７ｄＢカップラ５５３を介してＨＮＬＦ（高非線形ファイバ）５５４を伝搬する。ＮＯＬＭ５５０中で用いられているＨＮＬＦ５５４はファイバ長が３８０ｍ、非線形定数が１７．５Ｗ−１ｋｍ−１、零分散波長が１５７５ｎｍ、分散スロープが０．０２７ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ、ファイバ損失が０．６７ｄＢ／ｋｍである。また幅が約１５ｐｓのパルス列である制御光の波長は１５５２ｎｍ、幅が約３．４ｐｓのパルス列である信号光の波長は１５６８ｎｍであり、それぞれのパルス列の繰り返し周波数は１０ＧＨｚで、制御光と信号光の波長差は１６ｎｍである。また、制御光の波長におけるＨＮＬＦ５５４の分散値は−０．６２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、つまり正常分散値である。
【０１６１】
ＸＰＭを効率よく発生させるために、信号光の時間遅延量及び制御光の偏光を最適な状態に設定してある。以下に、その具体的な内容を示す。
【０１６２】
（Ａ）信号光の偏光の調整：まず制御光を入射しない状態で入力端５８０から信号光を入射し、ループ中の偏波コントローラ（ＰＣ）５９２を操作して信号光が完全に入射端に反射してくる状態を作成し、光サーキュレータ５９８を用いて反射光受光端５９３で検知する。具体的には３ｄＢカップラの端子５６１、５６２で分岐された右回りと左回り信号光が、ループを伝搬し終えてそれぞれ端子５６２及び５６１に達した際に、それぞれの信号光の偏波が同じになるように、ループ中の偏波コントローラ（ＰＣ）５９２を調整する。この状態でＮＯＬＭ５５０は反射率１００％、透過率０％のループミラーとして働く。
【０１６３】
（Ｂ）遅延線の調整：その後制御光を入射し、制御光のパワーを少しずつ上げてゆく。ＮＯＬＭ５５０の伝達特性の最初の立ち上がり（ＸＰＭによる信号光の位相シフトφＸＰＭが０付近）の付近で遅延線５９７の遅延量を変えて、信号光の出力パワーが最大となるように調整する。その後、制御光のパワーをさらに上げてゆき、伝達特性の最初の谷（φＸＰＭ＝２π）に達するまで制御光のパワーを上げる。この状態で遅延量の微調整を行い、出力端５８４での信号光のパワーが最小となるように調整する。このように、ＨＮＬＦ５５４中を伝搬する信号光と制御光のパルスがより広い範囲で重なるようにすることで、ＸＰＭを効率的に発生させることができる。
【０１６４】
（Ｃ）制御光の偏光調整：ＮＯＬＭ５５０の伝達特性の最初の立ち上がり付近で制御光のパワーを上げてゆき、制御光を入射する伝搬路の偏波コントローラ（ＰＣ）５９１を調整し、出力信号光パワーが最大となるようにする。これによって、制御光と信号光の偏波状態の関係がＸＰＭの発生効率を最大にする条件を与える。
【０１６５】
（Ｄ）バンドパスフィルタの選定：本実験で使用する信号光と制御光は、それぞれＬ及びＣバンド帯にあるので、これらを分離するために出力端でバンドパスフィルタの代わりに、損失の小さいＣ／Ｌバンド用ＷＤＭカップラ５９５を用いた。
【０１６６】
（Ｅ）信号光と制御光の同期：本実施例では同一光源から波長変換を通して両光を発生しているので簡単に同期が取れている。信号光と制御光が別に入力される場合は、双方のパルスがＨＮＬＦ中で最大限に重なるように同期を取ることで、ＸＰＭの発生効率をあげることができる。
【０１６７】
本実施形態において得られたＮＯＬＭ５５０の伝達関数を図３５に示す。図３５より、制御光と信号光のＸＰＭによる信号光の位相シフトが５πに達し、その位相シフトが２πや４πのときの出力パワーがピーク値に対して半分以下かつ十分小さいＮＯＬＭが実現できた。
【実施例６】
【０１６８】
一方、ＮＯＬＭ５５０中で用いられているＨＮＬＦ５５４にファイバ長が３８０ｍ、非線形定数が１７．５Ｗ−１ｋｍ−１、零分散波長が１５６０ｎｍ、分散スロープが０．０２４ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍのものを用い、制御光と信号光の波長をそれぞれ１５５０ｎｍ，１５７０ｎｍ（波長差２０ｎｍ）とし、制御光のパルス幅を８．５ｐｓとしてその他の条件を同一としたとき、同様に伝達関数を測定した結果を図３６に示す。ＸＰＭを効率的に発生させることにより多周期化されている。
【０１６９】
ここで、制御光の波長における分散値は−０．２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、正常分散ではあるがその値が小さいため、信号光が大きなパラメトリック利得を受けている。つまり、右回りと左回りの信号光のパワーに不均衡が生じて干渉がうまく作用せず、信号光の位相シフトがπもしくは３πにおける出力パワーが０．５以下とならずに、その結果所望の伝達関数が得られていない、つまり少なくとも、φＸＰＭ＝２πにおける出力光パワーがφＸＰＭ＝πにおける出力光パワーの半分以下になるという条件が満たされていない。
【実施例７】
【０１７０】
その他の実施例として、図３４のＮＯＬＭ５５０において異なるパラメータを持つ別のファイバをＨＮＬＦ５５４として用い、多周期ＮＯＬＭを実現した例を他に２つの場合を示す。
（１）ＨＮＬＦのファイバ長が４０６ｍ、非線形定数が１２Ｗ−１ｋｍ−１、零分散波長が１５６７ｎｍ、分散スロープが０．０２１ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ（制御光波長における分散値は−０．３１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）、ファイバ損失が０．４２６ｄＢ／ｋｍであるＮＯＬＭの伝達特性を図３７に示す。
（２）ＨＮＬＦのファイバ長が４０３ｍ、非線形定数が１２Ｗ−１ｋｍ−１、零分散波長が１５６８ｎｍ、分散スロープが０．０２１ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ（制御光波長における分散値は−０．３３６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）、ファイバ損失が０．４１１ｄＢ／ｋｍであるＮＯＬＭの伝達特性を図３８に示す。
【０１７１】
本発明の実施形態によって実現されたＮＯＬＭの用途のひとつは、光Ａ／Ｄ変換である。他に考えられる形態は、例えばＱＡＭ、ＰＳＫ、ＡＳＫなど多値通信の復号化がある。別の視点からは、ＮＯＬＭ中のＸＰＭを用いたスイッチングではなく、制御光によって信号光に与えられるパラメトリック利得を積極的に用いたスイッチングデバイスの実現なども考えられる。
【０１７２】
以上説明したように、本発明の実施形態に係るＮＯＬＭ内の光ファイバにおいて制御光が引き起こすパラメトリックプロセスによって、制御光と同じ向きに進む信号光が受ける利得が、設定したしきい値に対して決定される許容値以下に抑圧されるように設計されたことを特徴とする設計を行うことで、図２８のような伝達関数を持つＮＯＬＭが実現できる。
【０１７３】
第３の実施形態．
図３９は本発明の第３の実施形態に係る多値光信号復号器４００の構成を示すブロック図であり、図４０は図３９の各光信号処理器４０１，４０２における入力パルス強度に対する出力パルス強度を示すグラフである。
【０１７４】
図３９において、多値光信号復号器４００は、例えば多値光通信システムにおいて用いられ、３ｄＢ光カップラ４１０と、２個の光信号処理器４０１，４０２とを備えて構成される。ここで、光信号処理器４０１は、図３の光符号化器２０１と同様に、ＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光アイソレータ１６，１８と、光ファイバケーブル１９と、信号光パルス光源４１１とを備えて構成され、信号光パルス光源４１１からの信号光パルスは光アイソレータ１６を介して、光信号処理器４０１のＮＯＬＭ１０の光ファイバケーブルに入力される。また、光信号処理器４０２は、図３の光符号化器２０１と同様に、ＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光アイソレータ１６，１８と、光ファイバケーブル１９と、信号光パルス光源４１２とを備えて構成され、信号光パルス光源４１２からの信号光パルスは光アイソレータ１６を介して、光信号処理器４０２のＮＯＬＭ１０の光ファイバケーブルに入力される。ここで、光信号処理器４０１、４０２は、図４０に示すように、互いに異なる周期の伝達関数を有し、具体的には、光信号処理器４０１の伝達関数の周期は光信号処理器４０２の伝達関数の周期の３倍に設定されている。
【０１７５】
以上のように構成された多値光信号復号器４００では、多値パルス列光信号が光カップラ４１０に入力されて２分配される。２分配後の一方の多値パルス列光信号が光アイソレータ１８、光ファイバケーブル１９及び光カップラ１２を介して光信号処理器４０１のＮＯＬＭ１０に入力され、このとき、上記信号光パルスと合成されて上述の非線形光処理が行われ、処理後の２値パルス列光信号ｘが、光カップラ１１から光帯域通過フィルタ１４を介して出力される。また、２分配後の他方の多値パルス列光信号が光アイソレータ１８、光ファイバケーブル１９及び光カップラ１２を介して光信号処理器４０２のＮＯＬＭ１０に入力され、このとき、上記信号光パルスと合成されて上述の非線形光処理が行われ、処理後の２値パルス列光信号ｙが、光カップラ１１から光帯域通過フィルタ１４を介して出力される。
【０１７６】
次いで、多値光信号復号器４００を用いた入力４値及び出力２値のときの光強度多値通信システムの応用例について以下に説明する。
【０１７７】
図４１（ａ）は図３９の多値光信号復号器４００を用いた第１の応用例を示す光強度多値通信システムのための復号装置の構成を示すブロック図であり、図４１（ｂ）は図４１（ａ）の復号装置の符号割り当て例を示す表である。図４１の第１の応用例において、図４１（ｂ）に示すように、光強度に対して符号を割り当てたとき、４値の多値光信号を多値光信号復号器４００に入力したとき、２つの２値光信号ｘ，ｙを得ることができる。このように、光信号の振幅を多値化することにより周波数の利用効率を増大させることができる。
【０１７８】
図４２（ａ）は図３９の多値光信号復号器４００を用いた第２の応用例を示す光強度多値通信システムのための復号装置の構成を示すブロック図であり、図４２（ｂ）は図４２（ａ）の復号装置の符号割り当て例を示す表である。図４２の第２の応用例において、図４２（ｂ）に示すように、光強度に対して符号を割り当てたとき、４値の多値光信号を多値光信号復号器４００に入力した後、多値光信号復号器４００からの２つの出力光信号のうち一方の出力光信号のみを、元の多値光信号のパルス周期の半分だけ遅延する光遅延回路４２１を介して通過させ、通過後の光信号と、上記他方の出力光信号とを３ｄＢ光カップラ４２２により合成し、合成後の光信号を時分割多重化された２値光信号として得ることができる。このように、光信号の振幅を多値化することにより周波数の利用効率を増大させることができる。
【０１７９】
以上の実施形態において、２個の光信号処理器４０１，４０２を並列に配置して多値光信号復号器４００を構成しているが、本発明はこれに限らず、互いに異なる伝達関数を有する３個以上の複数の光信号処理器を並列に配置して多値光信号復号器を構成してもよい。
【０１８０】
第４の実施形態．
図４３は本発明の第４の実施形態に係る光論理演算回路６００の構成を示すブロック図であり、図４４（ａ）は図４３の光論理演算回路６００のＯＲ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、図４４（ｂ）は図４３の光論理演算回路６００のＡＮＤ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、図４４（ｃ）は図４３の光論理演算回路６００のＮＯＴ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、図４４（ｄ）は図４３の光論理演算回路６００のＥＸＯＲ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフである。
【０１８１】
図４３において、光論理演算回路６００は、光信号処理器６０１と、３ｄＢ光カップラ６０２とを備えて構成される。ここで、光信号処理器６０１は、図３の光符号化器２０１と同様に、ＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、２個の光帯域通過フィルタ１４、１４Ａと、光アイソレータ１８と、光ファイバケーブル１９と、光サーキュレータ１６Ａと、信号光パルス光源６０３とを備えて構成され、信号光パルス光源６０３からの信号光パルスは光サーキュレータ１６Ａを介して、光信号処理器６０１のＮＯＬＭ１０の光ファイバケーブルに入力される。ここで、光論理演算の入力信号である２つの２値パルス列信号ｘ，ｙは光カップラ６０２により合成された後、光アイソレータ１８、光ファイバケーブル１９及び光カップラ１２を介して光信号処理器６０１のＮＯＬＭ１０に入力された後、ＮＯＬＭ１０内で上記信号光パルスと合成されて上述の非線形光処理が行われた後、処理後の光信号は、光カップラ１１から光帯域通過フィルタ１４を介して第１の演算結果の光信号として出力されるとともに、光カップラ１１から光アイソレータ１６Ａ及び光帯域通過フィルタ１４Ａを介して第２の演算結果の光信号として出力される。
【０１８２】
ここで、光信号処理器６０１は、例えば図４４に示すように、光論理回路の演算の種類に応じて、以下のごとく異なる伝達関数を有する。ここで、伝達関数は入力光パルス強度に対する出力光パルス強度の関数であり、出力パルス強度のピーク・ツー・ピークの振幅はＢである。
（ａ）ＯＲ演算及びＮＯＲ演算のときには、伝達関数は、図４４（ａ）に示すように、入力光パルス強度が０のときに出力光パルス強度が０であり、これより、入力光パルス強度が増大するにつれて出力光パルス強度が３Ａの周期の正弦波形状で変化する。ここで、光帯域通過フィルタ１４からＯＲ演算結果の光信号を得ることができるとともに、光帯域通過フィルタ１４ＡからＮＯＲ演算結果の光信号を得ることができる。
（ｂ）ＡＮＤ演算及びＮＡＮＤ演算のときには、伝達関数は、図４４（ｂ）に示すように、入力光パルス強度が０のときに出力光パルス強度が０であり、これより、入力光パルス強度が増大するにつれて出力光パルス強度が６Ａの周期の正弦波形状で変化する。ここで、光帯域通過フィルタ１４からＡＮＤ演算結果の光信号を得ることができるとともに、光帯域通過フィルタ１４ＡからＮＡＮＤ演算結果の光信号を得ることができる。
（ｃ）ＮＯＴ演算のときには、伝達関数は、図４４（ｃ）に示すように、入力光パルス強度が０のときに出力光パルス強度がＢであり、これより、入力光パルス強度が増大するにつれて出力光パルス強度が２Ａの周期の正弦波形状で変化する。ここで、光帯域通過フィルタ１４ＡからＮＯＴ演算結果の光信号を得ることができる。
（ｄ）ＥＸＯＲ演算のときには、伝達関数は、図４４（ｄ）に示すように、入力光パルス強度が０のときに出力光パルス強度が０であり、これより、入力光パルス強度が増大するにつれて出力光パルス強度が２Ａの周期の正弦波形状で変化する。ここで、光帯域通過フィルタ１４からＥＸＯＲ演算結果の光信号を得ることができる。
【０１８３】
以上説明したように、２つの２値光信号ｘ，ｙを入力するときに、光信号ｘのパルスのみ、又は光信号ｙのパルスのみをＮＯＬＭ１０に入力するときは、その光信号の光強度はＡであり、これら２つの光信号ｘ，ｙのパルスがＮＯＬＭ１０に入力するときは、その合成後の光信号の光強度は２Ａとなる。図４４に示すように、光信号処理器６０１の伝達関数を適切に調整することにより、きわめて簡単な光回路を用いて上述の種々の光論理演算を実現できる。
【実施例８】
【０１８４】
第４の実験システム．
図４５は本発明の実施形態に係る第４の実験システムの構成を示すブロック図であり、図４６は図４５の第４の実験システムの実験結果であって、制御光の平均電力に対する出力信号光の平均電力を示すグラフである。
【０１８５】
図４５の第４の実験システムにおいて、光信号処理器６０１Ａは、図３の光符号化器２０１と同様に、光ファイバケーブル上に偏波コントローラ１０Ａを有するＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光サーキュレータ１６Ａと、偏波コントローラ１９Ａとを備えて構成される。信号光源６１１は、波長１５６８ｎｍでパルス周波数１０ＧＨｚを有する信号光パルスを発生して、エルビウムがドープされたファイバ光増幅器６１２及び可変光遅延回路１５Ａ、光アイソレータ１６Ａ及び光カップラ１１を介して、光信号処理器６０１ＡのＮＯＬＭ１０に入力する。一方、信号光源６２１は、波長１５５２ｎｍでパルス周波数１０ＧＨｚを有する制御光パルスを発生して、エルビウムがドープされたファイバ光増幅器６２２及び可変光減衰器６２３、偏波コントローラ１９Ａ及び光カップラ１２を介して、光信号処理器６０１ＡのＮＯＬＭ１０に入力する。ここで、ＮＯＬＭ１０で用いる高非線形ファイバは、４００ｍの長さＬと、１６．６Ｗ−１ｋｍ−１の非線形性係数γを有する。
【０１８６】
以上のように構成された図４５の第４の実験システムで得られる伝達関数として、図４６に示すように、２．５周期以上の実質的に正弦波形状の関数を得ることができた。
【実施例９】
【０１８７】
第５の実験システム．
図４７及び図４８は本発明の実施形態に係る第５の実験システムの構成を示すブロック図であり、図４７は当該第５の実験システムにおける信号光及び制御光を発生する光回路部であり、図４８は上記発生された信号光及び制御光に対して符号化し、しきい値処理を実行するための光回路部である。
【０１８８】
図４７において、サンプリングレートが１０ＧＳ／ｓである３ビットの光学的量子化及び符号化の実験システムを示している。制御光パルスの発生のために、波長１５５２ｎｍでパルス周期３ｐｓで動作する１０ＧＨｚの再生モード同期型ファイバリングレーザ（ＦＲＬ）であるレーザ光源７１１を使用し、レーザ光源７１１から出力される制御光パルスは光増幅器７１２を介して、３ｄＢ光カップラ７１３に入力されて２分配され、２分配後の一方の制御光パルスは、分散補償光ファイバケーブル（ＤＣＦ）７１５、光増幅器７１６及び可変光減衰器（ＶＯＡ）７１７を介して制御光として出力される。上記２分配後の他方の制御光パルスは、偏波コントローラ７１４を介して光カップラ７０４に入力される。一方、ＣＷレーザダイオード光源である可変レーザ光源７０１は、波長１５６０ｎｍの信号光パルスを発生して光増幅器７０２及び偏波コントローラ７０３を介して光カップラ７０４に入力される。光カップラ７０４では２つのパルス光が合成された後、合成後のパルス光は高非線形光ファイバケーブル（ＨＮＬＦ）５０５及び光帯域通過フィルタ７０６を介して信号光として出力される。すなわち、以上の光回路部では、四光波混合（ＦＷＭ）を用いて、制御光パルスと同期される１５６８ｎｍの搬送波波長及び３ｐｓの時間幅を有する信号光パルスを発生させた。また、分散補償光ファイバケーブル（ＤＣＦ）７１５を用いて、制御光パルスのパルス幅を１１ｐｓまで拡張させた。分散補償光ファイバケーブル（ＤＣＦ）７１５の後に可変光減衰器（ＶＯＡ）７１７を用いて、アナログ光信号からサンプリングされた光パルスのレベルをエミュレートした。信号光パルスが制御光パルスに重畳するように、図４８の３個の光遅延回路（ＯＤＬ）７２５，７２６，７２７の光遅延量を設定した。
【０１８９】
図４８において、光符号化回路２００Ａは３個の光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａを並列に配置して構成され、光量子化回路３００Ａは、３個の光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａを並列に配置して構成される。ここで、各光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａは、図３の光符号化器２０１と同様に、偏波コントローラ１０Ａを有するＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２Ａと、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光サーキュレータ１６Ａと、偏波コントローラ１９Ａとを備えて構成され、信号光は光サーキュレータ１６Ａ及び光カップラ１１を介して、光符号化器２０１ＡのＮＯＬＭ１０の光ファイバケーブルに入力され、制御光は偏波コントローラ１９Ａ及び光カップラ１２Ａを介してＮＯＬＭ１０に入力される。また、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａは、ＮＯＬＭ２０と、光カップラ２１と、光サーキュレータ２６Ａと、光増幅器２７と、ＮＯＬＭ２０の光ファイバケーブル上にそれぞれ挿入された光減衰器２０Ｂ及び偏波コントローラ２０Ａとを備えて構成され、各光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａからの出力光は、光増幅器２７、光サーキュレータ２６Ａ及び光カップラ２１を介してＮＯＬＭ２０に入力される。
【０１９０】
図４７の光回路部で発生された信号光は光増幅器７２１を介して、３つの光カップラ７２２，７２３，７２４により３分配され、第１の信号光は光遅延回路７２５を介して光符号化器２０１Ａの光サーキュレータ１６Ａに入力される。また、第２の信号光は光遅延回路７２６を介して光符号化器２０２Ａの光サーキュレータ１６Ａに入力され、さらに、第３の信号光は光遅延回路７２７を介して光符号化器２０３Ａの光サーキュレータ１６Ａに入力される。
【０１９１】
一方、図４７の光回路部で発生された制御光は、接続点Ｘを介して光カップラ７３１に入力されて２分配され、２分配後の一方の制御光は光カップラ７３２でさらに２分配され、その一方の光信号は光減衰器７３３を介して光符号化回路２００Ａ内の光符号化器２０１Ａの偏波コントローラ１９Ａに入力された後、光符号化器２０１Ａによる光符号化処理及び光しきい値処理器３０１Ａによる光しきい値処理が実行される。光カップラ７３２からの他方の光信号は光符号化回路２００Ａ内の光符号化器２０２Ａの偏波コントローラ１９Ａに入力された後、光符号化器２０２Ａによる光符号化処理及び光しきい値処理器３０２Ａによる光しきい値処理が実行される。また、光カップラ７３１からの他方の光信号は光減衰器７３４を介して光符号化回路２００Ａ内の光符号化器２０３Ａの偏波コントローラ１９Ａに入力された後、光符号化器２０３Ａによる光符号化処理及び光しきい値処理器３０３Ａによる光しきい値処理が実行される。
【０１９２】
以上のように構成された第５の実験システムにおいて、光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａが最大レベルの制御光パルスでそれぞれ半周期、単周期及び２周期の伝達関数を供給するように、光減衰器７３３，７３４を使用して各光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａ間の伝達関数の相対的周期性を適切に調整した。各光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３ＡのＮＯＬＭ１０ＡのＨＮＬＦの長さＬ及び非線形係数γはそれぞれ、３８０ｍ、４０３ｍ及び４０６ｍ及び１７．５Ｗ−１ｋｍ−１、１２．０Ｗ−１ｋｍ−１及び１２．０Ｗ−１ｋｍ−１であった。光帯域通過フィルタ１４は制御光パルスを除去し、信号光パルスのみを通過させて出力する。３個の光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａの特徴はほぼ同一である。エルビウムがドープされたファイバ光増幅器２７の利得は、２３ｄＢ程度の適正値に調整した。１０ｄＢの光減衰器２０Ｂを使用して自己スイッチング型ＮＯＬＭの非対称ループを作成すると、当該ＮＯＬＭのＨＮＬＦの長さＬ及び非線形係数γはそれぞれ８３０ｍ及び１９Ｗ−１ｋｍ−１であった。
【０１９３】
図４９（ａ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０１Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０１Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＡを示すグラフであり、図４９（ｂ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０２Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０２Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＢを示すグラフであり、図４９（ｃ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０３Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０３Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＣを示すグラフである。また、図５０（ａ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０１Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０１Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＤを示すグラフであり、図５０（ｂ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０２Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０２Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＥを示すグラフであり、図５０（ｃ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０３Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０３Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＦを示すグラフである。さらに、図５１（ａ）は制御光パルスの平均電力が２００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフであり、図５１（ｂ）は制御光パルスの平均電力が７００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフであり、図５１（ｃ）は制御光パルスの平均電力が１０００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフである。
【０１９４】
図４９（ｃ）に示すように、発明者の知る限りでは、これは、多周期の伝達関数を２周期まで観察した最初の実験結果であると確信している。制御光パルスの平均電力は、図４８の接続点Ｘにおいて測定した。非ゼロ復帰の周期性は、光ファイバケーブルにおける望ましくない非線形現象、不安定な偏光及びパルスの強度及びタイミングのゆらぎに起因すると思われる。
【０１９５】
図５０の各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａからの出力光の実験結果から明らかなように、伝達関数は改善され、その周期後にほぼ完全に「０」に戻ることが確認された。図５０（ａ）、図５０（ｂ）及び図５０（ｃ）の挿入図は、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａからの出力光で測定したパルス幅の自己相関波形の一部であり、パルス形状に大きな変化は観察されなかった。図５１は、ガウス形のパルス波形を想定してパルス幅及び平均電力の測定値から取得される、制御パルスの平均電力２００ｍＷ、７００ｍＷ及び１０００ｍＷで再構築される出力のデジタルパルスを示す。このように、３ビットのＡ／Ｄ変換は首尾良く達成されることが確認される。例えば図１１に示すようなカスケード型の複数の光しきい値処理器の連結又は光２Ｒ技術（再増幅及び再整形）のいずれかを組み込めば、「０」のパルス光をさらに抑圧することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明に係る光Ａ／Ｄ変換装置は、高速なサンプリングが必要な測定機器関係を初めとして、光通信の光アナログ信号と光ディジタル信号の変換が必要な各ノード、その他高速なＡ／Ｄ変換が必要なコンピューティング等の分野において適用可能であり、本発明は基礎的な信号処理技術であるためにその他様々な分野での利用が可能である。
【符号の説明】
【０１９７】
１０…非線形光ループミラー、
１０Ａ…偏波コントローラ、
１１，１２…光カップラ、
１３…光アイソレータ、
１４，１４Ａ…光帯域通過フィルタ、
１５…光遅延回路、
１５Ａ…可変光遅延回路、
１６…光アイソレータ、
１６Ａ…光サーキュレータ、
１７…光増幅器、
１８…光アイソレータ、
１９…光ファイバケーブル、
１９Ａ…偏波コントローラ、
２０…非線形光ループミラー、
２０Ａ…偏波コントローラ、
２０Ｂ…光減衰器、
２１，２２…光カップラ、
２３…光アイソレータ、
２４…光帯域通過フィルタ、
２５…レーザダイオード、
２６，２６Ａ…光アイソレータ、
２７…光増幅器、
２８…光アイソレータ、
２９…光ファイバケーブル、
３０…標本化信号発生器、
３１…レーザダイオード、
３２…光アイソレータ、
４１…光標本化回路、
４２…光アイソレータ、
５０…ファイバリングレーザ、
５１，５２…光帯域通過フィルタ、
５３…光変調器、
５４…データ信号発生器、
５５，５６，５７…光分配器、
６１，６２…ファイバリングレーザ、
６３…光遅延回路、
７１，７２，７３…光カップラ、
８１，８２…光導波路、
９１，９２，９３…光カップラ、
９４…光アイソレータ、
９５…光帯域通過フィルタ、
１００…光Ａ／Ｄ変換装置、
１０１，１０２…光ファイバケーブル、
１０３…分散補償光ファイバケーブル、
１０４…光帯域通過フィルタ、
１０５…光カップラ、
１０６…偏波コントローラ、
１１１…高複屈折光ファイバケーブル、
１１２…偏光子、
２００、２００Ａ…光符号化回路、
２０１，２０２，２０３，２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａ…光符号化器、
３００，３００Ａ…光量子化回路、
３０１，３０２，３０３，３１１，３１２，３１３，３２２，３２３，３３３、３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａ…光しきい値処理器、
４００…多値光信号復号器、
４０１，４０２…光信号処理器、
４１０…光カップラ、
４１１，４１２…信号光パルス光源、
４２１…光遅延回路、
４２２…光カップラ、
５００…非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）、
５０１…光ファイバ、
５０２…光カップラ、
５０４…高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）、
５１０…光信号の入力端、
５１１，５１２…光ファイバ端、
５１３…出力端、
５２４…制御光入力手段、
５３０…入力信号光、
５３１…制御光、
５３２，５３３…伝搬光、
５３４…出力信号光、
５５０…非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）
５５１…光ファイバ、
５５２…３ｄＢ光カップラ、
５５３…１７ｄＢ光カップラ、
５５４…高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）、
５６１，５６２…３ｄＢカップラの端子、
５７１…制御光入力端、
５７４…ＷＤＭカップラ、
５８０…入力端、
５９１，５９２…偏波コントローラ、
５９３…反射光受光端、
５９５…Ｃ／Ｌバンド用ＷＤＭカップラ、
５９７…遅延線、
５９８…光サーキュレータ、
６００…光論理演算回路、
６０１，６０１Ａ…光信号処理器、
６０２…光カップラ、
６０３…信号光パルス光源、
６１１，６２１…光源、
６１２，６２２…光増幅器、
６１３…パワーメータ、
６２３…光減衰器、
７０１…レーザ光源、
７０２…光増幅器、
７０３…偏波コントローラ、
７０４，７１３…光カップラ、
７０５…高非線形光ファイバケーブル（ＨＮＬＦ）、
７０６…光帯域通過フィルタ、
７１１…レーザ光源、
７１２，７１６…光増幅器、
７１５…分散補償光ファイバケーブル（ＤＣＦ）、
７１７…可変光減衰器、
７２１…光増幅器、
７２２，７２３，７２４，７３１，７３２…光カップラ、
７２５，７２６，７２７…光遅延回路、
７３３，７３４…光減衰器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ファイバ通信システムにおいて用いられ、光アナログ信号を光ディジタル信号に変換する光アナログ／ディジタル変換方法及び装置などのための光信号処理方法及び装置、非線形光ループミラーとその設計方法並びに光信号変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アナログ／ディジタル変換（以下、Ａ／Ｄ変換という。）は離散化、量子化及び符号化の処理によって実現され、従来これらの処理は半導体を用いた電気信号処理により行われている。
【０００３】
現在、高速化された光処理によるアナログ／ディジタル変換処理を行うことが所望されるが、例えば、非特許文献１及び２（以下、従来例という。）においては、マッハ・ツェンダー干渉計型光変調器をサンプルホールド回路として用いて量子化した後、フォトディテクタを用いて光電変換した後、電気回路を用いて符号化することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２７１７３０号公報。
【特許文献２】特開２０００−１０１２９号公報。
【特許文献３】特開平９−０３３９６７号公報。
【特許文献４】特開平９−２２２６２０号公報。
【特許文献５】特開平９−１０２９９１号公報。
【特許文献６】特開２０００−３２１６０６号公報。
【特許文献７】特開２００１−１１７１２５号公報。
【特許文献８】特開平８−１４６４７３号公報。
【特許文献９】特表２００２−５２５６４７号公報。
【特許文献１０】特開２００３−１０７５４１号公報。
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Henry F. Taylor, "An Optical Analog-to-Digital Converter-Design and Analysis", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-15, No. 4, April 1979.
【非特許文献２】B. Jalali et al., "Optical folding-flash analog-to-digital converter with analog encoding", Optical Letters, Optical Society of America, Vol. 20, No. 18, September 15, 1995.
【非特許文献３】N. J. Doran et al., "Nonlinear-optical loop mirror", Optical Letters, Optical Society of America, Vol. 13, No. 1, January 1988.
【非特許文献４】山本貴司ほか，”超高速非線形光ループミラーによるサブテラビットＴＤＭ光信号の多重分離”，電子情報通信学会論文誌，Ｃ−Ｉ，電子情報通信学会発行，Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−Ｉ，ｐｐ．１０９−１１６，１９９９年３月。
【非特許文献５】Govind P. Agrawal, "NONLINEAR FIBER OPTICS", Academic Press, ISBN:0120451425, 2rd Edition, pp. 210-211, 1995.
【非特許文献６】Stephen M. Jensen, "The Nonlinear Coherent Coupler", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 10, October 1982.
【非特許文献７】William S. Wong et al., "Self-switching of optical pulses in dispersion-imbalanced nonlinear loop mirrors", Optics Letters, Optical Society of America, Vol.22, pp.1150-1152, 1997.
【非特許文献８】I. Y. Khrushchev et al., "High-quality laser diode pulse compression in dispersion-imbalanced loop mirror", Electronics Letters, Vol.34, pp.1009-1010, May 1998.
【非特許文献９】K. R. Tamura et al., "Spectral-Smoothing and Pedestal Reduction of Wavelength Tunable Quasi-Adiabatically Compressed Femtosecond Solitons Using a Dispersion-Flattened Dispersion-Imbalanced Loop Mirror," IEEE Photonics Technology Letters, Vol.11, pp.230-232, February 1999.
【非特許文献１０】K. J. Blow et al., "Demonstration of the nonlinear fibre loop mirror as an ultrafast all-optical demultiplexer", Electronics Letters, Vol.26, pp.962-964, 1990.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の従来例においては、符号化回路は電気回路であるので、半導体の応答速度による制限があり、例えばテラヘルツオーダーでのより高速な処理を行うことができない。
【０００７】
また、特許文献１においては、非線形ファブリペロー共振器を用いた光Ａ／Ｄ変換器が開示されているが、光アナログ信号を２値の光ディジタル信号に変換するのみで、符号化する光回路については開示されていない。
【０００８】
すなわち、従来技術において、光アナログ信号を光ディジタル信号に変換する光アナログ／ディジタル変換器であって、符号化や量子化をともに光信号で処理し、テラヘルツオーダー以上の周波数でより高速な処理を行うことができる装置については開発、実用化されていないという問題点があった。
【０００９】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、符号化や量子化をともに光信号で処理し、テラヘルツオーダー以上の周波数でより高速な処理を行うことができ、しかも構造が簡単である光Ａ／Ｄ変換方法及び装置などのための光信号処理方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の別の目的は、上記光アナログ／ディジタル変換方法及び装置などのための光信号処理方法及び装置、非線形光ループミラーとその設計方法並びに光信号変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明に係る光信号処理方法は、光強度に関する入出力特性において所定の周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って所定の信号処理を実行して出力するステップを含むことを特徴とする。
【００１２】
第２の発明に係る光信号処理方法は、光強度に関する入出力特性において、所定の光論理演算に対応した周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光を複数用いることによって、又は上記第１の波長とは異なる複数の波長を有するパルス列である制御光を用いることによって、所定の光論理演算処理を実行して出力するステップを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記光信号処理方法において、上記光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００１４】
第３の発明に係る光信号処理方法は、光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を上記各光符号化器から出力するステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
上記光信号処理方法において、上記複数の光符号化器は、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器であり、ここで、Ｎは量子化ビット数を表す自然数（Ｎ＝１，２，３，…）であることを特徴とする。
【００１６】
第４の発明に係る光信号処理方法は、光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光信号処理器を用いて、第１の波長を有する多値光信号のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って、複数の２値光信号に復号して出力するステップを含むことを特徴とする。
【００１７】
上記光信号処理方法において、上記各光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００１８】
また、上記光信号処理方法において、上記第１の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第１の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第１の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００１９】
第５の発明に係る光信号処理装置は、光強度に関する入出力特性において所定の周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って所定の信号処理を実行して出力する信号処理手段を備えたことを特徴とする。
【００２０】
第６の発明に係る光信号処理装置は、光強度に関する入出力特性において、所定の光論理演算に対応した周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光を複数用いることによって、又は上記第１の波長とは異なる複数の波長を有するパルス列である制御光を用いることによって、所定の光論理演算処理を実行して出力する演算手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
上記光信号処理装置において、上記光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００２２】
第７の発明に係る光信号処理装置は、光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を上記各光符号化器から出力する光符号化手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
上記光信号処理装置において、上記複数の光符号化器は、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器であり、ここで、Ｎは量子化ビット数を表す自然数（Ｎ＝１，２，３，…）であることを特徴とする。
【００２４】
第８の発明に係る光信号処理装置は、光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光信号処理器を用いて、第１の波長を有する多値光信号のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って、複数の２値光信号に復号して出力する多値復号手段を備えたことを特徴とする。
【００２５】
上記光信号処理装置において、上記各光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００２６】
また、上記光信号処理装置において、上記第１の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第１の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第１の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００２７】
第９の発明に係る光信号処理方法は、光標本化された光アナログ信号を光ディジタル信号に光アナログ／ディジタル変換する光信号処理方法であって、
光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を上記各光符号化器から出力するステップと、
上記各光符号化器にそれぞれ接続され、光強度に関する入出力特性が非線形性を有する光非線形素子を備えた１つ又は複数の光しきい値処理器を用いて、上記光符号化された複数の信号光のパルス列に対して光しきい値処理を行うことにより光量子化し、光量子化されたパルス列を光ディジタル信号として出力するステップとを含むことを特徴とする。
【００２８】
上記光信号処理方法において、上記光符号化するステップの前に、光アナログ信号を所定の標本化周波数で光標本化して、光標本化された光アナログ信号を出力するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００２９】
また、上記光信号処理方法において、上記複数の光符号化器は、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器であり、ここで、Ｎは量子化ビット数を表す自然数（Ｎ＝１，２，３，…）であることを特徴とする。
【００３０】
さらに、上記光信号処理方法において、上記光量子化するステップにおいて、上記光符号化された複数の信号光のパルス列毎に、１つの光しきい値処理器又は縦続接続された複数の光しきい値処理器を用いてそれぞれ入力される信号光のパルス列を光量子化することを特徴とする。
【００３１】
またさらに、上記光信号処理方法において、上記各光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００３２】
また、上記光信号処理方法において、上記各光しきい値処理器は第２の光非線形素子からなり、所定の搬送波光の連続光又はパルス列を入力する第１の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光量子化されたパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００３３】
さらに、上記光信号処理方法において、上記各光しきい値処理器は第２の光非線形素子からなり、所定の搬送波光の連続光又はパルス列を入力する入力端と、上記光量子化されたパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００３４】
またさらに、上記光信号処理方法において、上記第１の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第１の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第１の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００３５】
またさらに、上記光信号処理方法において、上記第２の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第２の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第２の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００３６】
第１０の発明に係る光信号処理装置は、光標本化された光アナログ信号を光ディジタル信号に光アナログ／ディジタル変換する光信号処理装置であって、
光強度に関する入出力特性が互いに異なる周期性をそれぞれ有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を上記各光符号化器から出力する光符号化手段と、
上記各光符号化器にそれぞれ接続され、光強度に関する入出力特性が非線形性を有する光非線形素子を備えた１つ又は複数の光しきい値処理器を用いて、上記光符号化された複数の信号光のパルス列に対して光しきい値処理を行うことにより光量子化し、光量子化されたパルス列を光ディジタル信号として出力する光量子化手段とを備えたことを特徴とする。
【００３７】
上記光信号処理装置において、上記光符号化手段の前段に設けられ、光アナログ信号を所定の標本化周波数で光標本化して、光標本化された光アナログ信号を出力する光標本化手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００３８】
また、上記光信号処理装置において、上記複数の光符号化器は、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器であり、ここで、Ｎは量子化ビット数を表す自然数（Ｎ＝１，２，３，…）であることを特徴とする。
【００３９】
さらに、上記光信号処理装置において、上記光量子化手段は、上記光符号化された複数の信号光のパルス列毎に、１つの光しきい値処理器又は縦続接続された複数の光しきい値処理器を用いてそれぞれ入力される信号光のパルス列を光量子化することを特徴とする。
【００４０】
またさらに、上記光信号処理装置において、上記各光符号化器は第１の光非線形素子からなり、上記信号光のパルス列を入力する第１の入力端と、上記制御光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００４１】
また、上記光信号処理装置において、上記各光しきい値処理器は第２の光非線形素子からなり、所定の搬送波光の連続光又はパルス列を入力する第１の入力端と、上記光符号化された信号光のパルス列を入力する第２の入力端と、上記光量子化されたパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００４２】
さらに、上記光信号処理装置において、上記各光しきい値処理器は第２の光非線形素子からなり、所定の搬送波光の連続光又はパルス列を入力する入力端と、上記光量子化されたパルス列を出力する出力端とを有することを特徴とする。
【００４３】
またさらに、上記光信号処理装置において、上記第１の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第１の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第１の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００４４】
またさらに、上記光信号処理装置において、上記第２の光非線形素子は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。もしくは、上記第２の光非線形素子は、非線形光学効果である光カー効果を用いたカーシャッタであることを特徴とする。とって代わって、上記第２の光非線形素子は、導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする。
【００４５】
第１１の発明に係る非線形光ループミラーは、光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの上記出力光信号のパワーが、上記出力光信号のパワーの最大値に対して所定のしきい値以下となるように、それぞれの光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする。
【００４６】
上記非線形光ループミラーにおいて、上記制御光信号と同一方向に伝搬する上記光信号が非線形媒質中でパラメトリック利得によって増幅された割合をＧ、上記出力光信号のパワーの最大値に対する上記所定のしきい値の割合をＴとしたときにＧ＜２Ｔ＋１の関係式を満足することを特徴とする。
【００４７】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記光信号と上記制御光信号のパルスが上記非線形媒質のより広い範囲で重なるように、上記入力光信号と上記制御光信号のいずれか一方を光遅延線を介してから入力することを特徴とする。
【００４８】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光が常に同じであることを特徴とする。
【００４９】
またさらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記所定のしきい値が、光信号処理で必要とされるしきい値であることを特徴とする。
【００５０】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記所定のしきい値が３ｄＢであることを特徴とする。
【００５１】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記非線形媒質の分散値の絶対値が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制する分散値以上であることを特徴とする。
【００５２】
またさらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記制御光信号と上記入力光信号の波長差が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制する波長差以上であることを特徴とする。
【００５３】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記制御光信号と上記光信号の波長差と、上記非線形媒質の分散値との積の絶対値が、ウォークオフを抑圧して、２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差を２π以上とする値以下であることを特徴とする。
【００５４】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数）となるときの上記出力光信号のパワー値が、光アナログ／ディジタル変換の処理において０として処理されることを特徴とする。
【００５５】
またさらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記非線形媒質の分散特性が上記制御光信号の波長において正常分散特性を有することを特徴とする。
【００５６】
またさらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記非線形媒質の分散特性が上記制御光信号の波長において異常分散特性を有することを特徴とする。
【００５７】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記入力光信号と上記制御光信号の波長において、上記非線形媒質の分散値Ｄを波長λで微分した値が正（ｄＤ／ｄλ＞０）であるとき、λ０＞λＳ＞λＣであることを特徴とする。
【００５８】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記入力光信号と上記制御光信号の波長において、上記非線形媒質の分散値Ｄを波長λで微分した値が負（ｄＤ／ｄλ＜０）であるとき、λ０＜λＳ＜λＣであることを特徴とする。
【００５９】
第１２の発明に係る非線形光ループミラーは、光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
上記非線形媒質が上記制御光信号の波長において正常分散の特性を有することを特徴とする。
【００６０】
上記非線形光ループミラーにおいて、上記制御光信号の波長における上記非線形媒質の分散値が−０．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、上記入力信号光と上記制御光の波長差が１６ｎｍ以上であることを特徴とする。
【００６１】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光が常に同じであることを特徴とする。
【００６２】
第１３の発明に係る非線形光ループミラーは、光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
２分岐されたそれぞれの光信号と上記制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によって、それぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２π以上であることを特徴とする。
【００６３】
上記非線形光ループミラーにおいて、上記非線形媒質が上記制御光信号の波長において正常分散の特性を有することを特徴とする。
【００６４】
また、上記非線形光ループミラーにおいて、２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの出力光信号のパワーが、上記出力光信号のパワーの最大値に対して光アナログ／ディジタル変換におけるしきい値以下となるように、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする。
【００６５】
さらに、上記非線形光ループミラーにおいて、上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光が常に同じであることを特徴とする。
【００６６】
第１４の発明に係る非線形光ループミラーの設計方法は、光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーを設計する方法であって、
入力光信号のパワーに対する出力光信号のパワーの関係で表される伝達関数とその周期（φｍａｘ）を決定する第１のステップと、
光信号処理に適した、出力光信号のしきい値を決める第２のステップと、
非線形媒質の非線形定数と分散特性、及び制御光信号の波長とピークパワーを仮決めする第３のステップと、
位相シフトが上記周期φｍａｘに及んでいるかを判別し、及んでいなければ上記第３のステップに戻る第４のステップと、
上記光信号がパラメトリック利得によって増幅された割合をＧ、上記出力光信号のパワーの最大値に対する上記しきい値の割合をＴとしたときにＧ＜２Ｔ＋１を満足するかを判別し、満足していなければ上記第３のステップに戻る第５のステップとを含むことを特徴とする。
【００６７】
第１５の発明に係る光信号変換方法は、入力された光信号を２分岐し、分岐した一方の光信号（Ａ）を波長の異なる制御光信号と同一方向に伝搬させて相互位相変調を発生させ、分岐した他方の光信号（Ｂ）との間の位相シフト差を制御光信号のパワー変化に対して周期的に変化させて、上記光信号（Ａ）及び（Ｂ）の干渉によって得られる出力光信号のパワーを変化させる光信号変換方法であって、
上記出力光信号のパワーの最大値に対して、位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの上記出力光信号のパワーが２値化処理のしきい値以下となるように、上記光信号（Ａ）と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００６８】
本発明に係る光信号処理方法及び装置によれば、光強度に関する入出力特性において所定の周期性を有する光非線形素子を備えた光信号処理器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列に対して、上記第１の波長とは異なる第２の波長を有するパルス列である制御光に従って所定の信号処理を実行して出力する。従って、光論理演算、光符号化処理、多値復号処理などの光信号処理をきわめて簡単な構成で実現でき、しかも従来技術に比較して高速化できる。
【００６９】
また、本発明に係る光信号処理方法及び装置によれば、標本化された光アナログ信号を光ディジタル信号に光Ａ／Ｄ変換することができ、標本化周波数の上限は数百ギガ数テラヘルツオーダーまで原理的に可能であり、電気回路のＡ／Ｄ変換の標本化周波数の限界を数十ギガヘルツとすると、二桁程度の高速化が可能である。また、入出力が光信号なので光ネットワークへの応用に適している。
【００７０】
さらに、本発明に係る非線形光ループミラー内の光ファイバにおいて制御光が引き起こすパラメトリックプロセスによって、制御光と同じ向きに進む信号光が受ける利得が、設定したしきい値に対して決定される許容値以下に抑圧されるように設計されたことを特徴とする設計を行うことで、図２８のような伝達関数を持つ非線形光ループミラーを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００の動作を示すブロック図及びタイミングチャートである。
【図２】図１の光Ａ／Ｄ変換装置１００の詳細構成を示すブロック図である。
【図３】図２の光符号化器２０１の詳細構成を示すブロック図である。
【図４】図３の光符号化器２０１の動作を示す、制御光（λ２）の入力電力に対する信号光（λ１）の出力電力との関係を示すグラフである。
【図５】図３の光符号化回路２００の動作例を示すグラフ及びブロック図である。
【図６】図２の光しきい値処理器３０１の詳細構成及びその動作を示すブロック図及びグラフである。
【図７】図６の光しきい値処理器３０１の動作例を示すグラフである。
【図８】図２の光符号化回路２００及び光量子化回路３００の詳細構成を示すブロック図である。
【図９】図８の各光符号化器２０１，２０２，２０３の動作例を示すグラフであり、図９（ａ）は光符号化器２０１の動作例を示し、図９（ｂ）は光符号化器２０２の動作例を示し、図９（ｃ）は光符号化器２０３の動作例を示す。
【図１０】図８の各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３の動作例を示すグラフであり、図１０（ａ）は光しきい値処理器３０１の動作例を示し、図１０（ｂ）は光しきい値処理器３０２の動作例を示し、図１０（ｃ）は光しきい値処理器３０３の動作例を示す。
【図１１】本発明の変形例に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００Ａの詳細構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１の各光しきい値処理器の動作例を示すグラフであって、図１２（ａ）は縦続接続された光しきい値処理器３０１，３１１の動作例を示し、図１２（ｂ）は縦続接続された光しきい値処理器３０２，３１２，３２２の動作例を示し、図１２（ｃ）は縦続接続された光しきい値処理器３０３，３１３，３２３，３３３の動作例を示す。
【図１３】本実施形態に係る実験システムの詳細構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３の光符号化回路２００の符号化処理の動作例を示すグラフであって、図１４（ａ）は光符号化器２０１の符号化処理の動作例を示し、図１４（ｂ）は光符号化器２０２の符号化処理の動作例を示し、図１４（ｃ）は光符号化器２０３の符号化処理の動作例を示す。
【図１５】図１３の光符号化回路２００を用いた符号化処理における制御光（λ２）の入力アナログパルスの振幅に対する３ビット符号化値（＃１，＃２，＃３）を示すグラフである。
【図１６】図１３において理想的な非線形光ループミラーを用いて実験システムを構成したときに、１段の光しきい値処理器の処理後のアナログパルスの振幅を変化したときの符号化後の３ビット符号化値（＃１，＃２，＃３）とそのパルス波形を示す図である。
【図１７】本実施形態に係る第１のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。
【図１８】図１７の第１のシミュレーションの結果であって、制御光（λ２）のパルスのピークパワーに対する信号光（λ１）のパルスのピークパワーを示すグラフである。
【図１９】本実施形態に係る第２のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。
【図２０】図１９の第２のシミュレーションの結果であって、図２０（ａ）は光符号化器２０１からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり、図２０（ｂ）は光符号化器２０２からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり図２０（ｃ）は光符号化器２０３からの信号電力のパルス波形を示す波形図である。
【図２１】本実施形態に係る第３のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。
【図２２】図２１の第３のシミュレーションの結果であって、図２２（ａ）は光符号化器２０１からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり、図２２（ｂ）は光符号化器２０２からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり図２２（ｃ）は光符号化器２０３からの信号電力のパルス波形を示す波形図である。
【図２３】本発明の第１の変形例に係る導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。
【図２４】本発明の第２の変形例に係る分散不平衡型非線形光ループミラーを用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。
【図２５】本発明の第３の変形例に係る光カー効果を有するカーシャッタを用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。
【図２６】従来技術及び本発明の第２の実施形態に係るＮＯＬＭの構成の一例を示す図である。
【図２７】従来技術に係るＮＯＬＭによる入力信号光パワーと出力光パワーの関係を示す図である。
【図２８】本発明の第２の実施形態に係るＮＯＬＭの入力光パワーと出力光パワーの関係を示す図である。
【図２９】光ファイバの分散値Ｄ（λＣ）に対するパラメトリック利得の値の関係を示す図である。
【図３０】信号光と制御光の波長差Δλに対するパラメトリック利得の値の関係を示す図である。
【図３１】光ファイバの分散値と、信号光及び制御光の波長配置の関係（ｄＤ／ｄλ＞０の場合）を示す図である。
【図３２】光ファイバの分散値と、信号光及び制御光の波長配置（ｄＤ／ｄλ＜０の場合）を示す図である。
【図３３】本発明の第２の実施形態に係るＮＯＬＭの設計処理の手順を示すフローチャートである。
【図３４】本発明の第２の実施形態に係るＮＯＬＭの一実施例を示す図である。
【図３５】本発明によるＮＯＬＭの伝達特性について測定した結果を示す図である。
【図３６】図３５とは異なる高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）を用いた場合のＮＯＬＭの伝達関数について示す図である。
【図３７】本発明の第２の実施形態に係る別の実施例のＮＯＬＭに関する伝達特性の測定結果を示す図である。
【図３８】本発明の第２の実施形態に係るさらに別の実施例のＮＯＬＭに関する伝達特性の測定結果を示す図である。
【図３９】本発明の第３の実施形態に係る多値光信号復号器４００の構成を示すブロック図である。
【図４０】図３９の各光信号処理器４０１，４０２における入力パルス強度に対する出力パルス強度を示すグラフである。
【図４１】（ａ）は図３９の多値光信号復号器４００を用いた第１の応用例を示す光強度多値通信システムのための復号装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）の復号装置の符号割り当て例を示す表である。
【図４２】（ａ）は図３９の多値光信号復号器４００を用いた第２の応用例を示す光強度多値通信システムのための復号装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）の復号装置の符号割り当て例を示す表である。
【図４３】本発明の第４の実施形態に係る光論理演算回路６００の構成を示すブロック図である。
【図４４】（ａ）は図４３の光論理演算回路６００のＯＲ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、（ｂ）は図４３の光論理演算回路６００のＡＮＤ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、（ｃ）は図４３の光論理演算回路６００のＮＯＴ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、（ｄ）は図４３の光論理演算回路６００のＥＸＯＲ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフである。
【図４５】本発明の実施形態に係る第４の実験システムの構成を示すブロック図である。
【図４６】図４５の第４の実験システムの実験結果であって、制御光の平均電力に対する出力信号光の平均電力を示すグラフである。
【図４７】本発明の実施形態に係る第５の実験システムの第１の部分の構成を示すブロック図である。
【図４８】本発明の実施形態に係る第５の実験システムの第２の部分の構成を示すブロック図である。
【図４９】（ａ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０１Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０１Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＡを示すグラフであり、（ｂ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０２Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０２Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＢを示すグラフであり、（ｃ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０３Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０３Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＣを示すグラフである。
【図５０】（ａ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０１Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０１Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＤを示すグラフであり、（ｂ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０２Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０２Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＥを示すグラフであり、（ｃ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０３Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０３Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＦを示すグラフである。
【図５１】（ａ）は制御光パルスの平均電力が２００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフであり、（ｂ）は制御光パルスの平均電力が７００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフであり、（ｃ）は制御光パルスの平均電力が１０００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００７３】
第１の実施形態．
図１は本発明の第１の実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００の動作を示すブロック図及びタイミングチャートである。本実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００は、入力される光アナログ信号を標本化し、符号化し、量子化することにより光ディジタル信号を出力する。図１の例では、光アナログ信号を４ビットの光ディジタル信号にＡ／Ｄ変換することが例示されている。
【００７４】
図２は図１の光Ａ／Ｄ変換装置１００の詳細構成を示すブロック図である。図２において、光Ａ／Ｄ変換装置１００は主として、光標本化回路４１と、光符号化回路２００と、光量子化回路３００とを備えて構成される。ここで、光符号化回路２００は複数の光符号化器２０１，２０２，２０３を備え、光量子化回路３００は複数の光しきい値処理器３０１，３０２，３０３を備える。
【００７５】
標本化信号発生器３０は、所定の周波数の標本化信号を発生してレーザダイオード３１及び光標本化回路４１に出力する。レーザダイオード３１は入力される標本化信号の周期で間欠的に、所定の波長λ１を有し、一定の信号レベルの信号光のパルス列を発生して光アイソレータ３２を介して光分配器５６に出力する。次いで、光分配器５６は入力される信号光を複数分配して、分配後の信号光を光符号化回路２００の各光符号化器２０１，２０２，２０３に出力する。一方、光Ａ／Ｄ変換すべき入力される光アナログ信号（波長λ２）は光標本化回路４１に入力され、光標本化回路４１は例えば光時間多重の分離処理などで公知の回路（例えば、非特許文献４参照。）であって、光アナログ信号を上記入力される標本化信号の周期で標本化し、標本化された光アナログ信号である制御光（波長λ２）を発生して光アイソレータ４２を介して光分配器５５に出力する。次いで、光分配器５５は入力される制御光を複数分配して、分配後の信号光を光符号化回路２００の各光符号化器２０１，２０２，２０３に出力する。
【００７６】
各光符号化器２０１，２０２，２０３は、互いに異なる、入力される制御光のパワーレベルに対する出力信号光のパワーレベルの周期特性を有し、好ましくは、それらの周期が２のべき乗の関係を有し（例えば、光符号化器２０１はその周期２Ｔを有し、光符号化器２０２は周期Ｔを有し、光符号化器２０３は周期Ｔ／２を有する。これについては図５を参照して詳細後述する。）、入力される信号光を制御光に従って符号化して符号化後の信号光をそれぞれ光しきい値処理器３０１，３０２，３０３に出力する。さらに、各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３は、入力される信号光を所定の２値の光ディジタル信号（本実施形態では、１ビット量子化を行い、出力される光ディジタル信号は２値であるが、多値であってもよい。）に量子化した後、出力する。
【００７７】
図３は図２の光符号化器２０１の詳細構成を示すブロック図であり、他の光符号化器２０２，２０３についても光符号化器２０１と同様に構成される。図３において、光符号化器２０１は、非線形光ループミラー（Non-linear Optical Loop Miller）１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光ファイバケーブル１９とを備えて構成される。
【００７８】
ここで、非線形光ループミラー１０は、制御光と信号光の間には異なる群遅延のために生じるウォークオフの問題を解消するため、それぞれ異なる群遅延特性（又は分散値）を有する所定長の複数本（少なくとも２本）の分散高非線形光ファイバケーブルを縦続接続してループを構成してなる（例えば、非特許文献３及び４参照。）。非線形光ループミラー１０の一端付近及びその他端付近を互いに光学的に結合するように近接することにより、光カップラ１１を構成する。当該光カップラ１１において、図３に示すように以下のように端子を定義する。
（１）信号光を入力するための、非線形光ループミラー１０の一端側の端子をＴ１１とする。
（２）光符号化された信号光を出力するための、他端側の端子をＴ１２とする。
（３）一端近傍であってループ内側の端子をＴ２１とする。
（４）他端近傍であってループ内側の端子Ｔ２２とする。
【００７９】
また、光カップラ１１の端子Ｔ２１の近傍である非線形光ループミラー１０の光ファイバケーブルに対して光学的に結合するように別の光ファイバケーブル１９が近接配置され、その近接配置部分で光カップラ１２を構成する。当該光カップラ１２において、図３に示すように以下のように端子を定義する。
（１）制御光を入力するための、光ファイバケーブル１９の一端側の端子をＴ３１とする。
（２）光カップラ１１の端子Ｔ２１に近接する、非線形光ループミラー１０上の端子をＴ３２とする。
（３）光ファイバケーブル１９の他端側の端子をＴ４１とする。
（４）光カップラ１１の端子Ｔ２１よりは、非線形光ループミラー１０の他端側（端子Ｔ２２側）の非線形光ループミラー１０上の端子をＴ４２とする。
【００８０】
さらに、光ファイバケーブル１９の他端は光アイソレータ１３を介して無反射終端される。従って、制御光は光ファイバケーブル１９の一端から入射して光カップラ１２を通過し、一方の制御光は光アイソレータ１３を介して無反射終端されるが、光カップラ１２で分岐した他方の制御光は光カップラ１２の端子Ｔ４２を介して非線形光ループミラー１０中のループ内に出力される。また、非線形光ループミラー１０の端子Ｔ１２側の他端には、信号光の波長λ１のみを帯域通過ろ波するための光帯域通過フィルタ１４が接続されている。
【００８１】
以上のように構成された非線形光ループミラー１０において、光カップラ１１の分岐比（例えば、端子Ｔ１１から入力した光信号を端子Ｔ２１と端子Ｔ２２に分岐するときの分岐比）を１：１に設定したとき、端子Ｔ１１に入射した信号光は完全に入力端側に反射されることになる。本実施形態では、入射される信号光を出力端側に透過させる必要があるので、非線形光ループミラー１０を制御光のパルス列を用いた右回りのみに位相シフトを与えることで、右回りで伝播する光信号と、左回りで伝播する光信号とで受ける位相差を変化させることができ、これにより、入力される信号光を反射させるか透過させるかを選択できる。この動作特徴を光符号化器と光しきい値処理器におけるしきい値処理やスイッチングに利用する。
【００８２】
本実施形態においては、信号光と制御光との間のＸＰＭ（Cross Phase Modulation：相互位相変調）により、非線形光ループミラー１０のループ中の右回りのパルスと左回りのパルスに位相差が生じさせ、制御光の信号レベルに従って、信号光の出力レベルを変化させる。すなわち、非線形光ループミラー１０における右回りの光信号の伝播において、信号光の電界をＥ１とし、制御光の電界をＥ２とすると、電界Ｅ１が長さＬの光ファイバケーブルを伝送した際に受ける非線形性による位相変化φ１ＲＮＬは次式で表される。
【００８３】
［数１］
φ１ＲＮＬ＝γＬ［｜Ｅ１｜２＋２｜Ｅ２｜２］ （１）
【００８４】
ただし、ω１は電界Ｅ１の角周波数であり、非線形性を表す係数γを用いて次式で表される。
【００８５】
［数２］
γ＝（ω１ｎ２）／（ｃＡｅｆｆ） （２）
【００８６】
ここで、ｃは真空中での光速であり、Ａｅｆｆはファイバの有効コア断面積であり、ｎ２は非線形屈折率係数である。また、Ｅ１Ｅ２での偏波面は揃っているとする。さらに、非線形光ループミラー１０における左回りの伝播において、信号光の電界をＥ１とし、長さＬの光ファイバを伝送した際に受ける位相変化φ１ＬＮＬは次式で表される。
【００８７】
［数３］
φ１ＬＮＬ＝γＬ｜Ｅ１｜２ （３）
【００８８】
このとき、右回りと左回りの信号光が受ける位相差Δφ１ＮＬは次式で表される。
【００８９】
［数４］
Δφ１ＲＮＬ＝２γ｜Ｅ２｜２Ｌ （４）
【００９０】
この位相差のために右回りと左回りの信号光は干渉を起こす。位相差は制御光のパルス列の強度に比例するために、信号光のパルス列の非線形光ループミラー１０からの出力信号光は、制御光の入力電力に対して、図４に示すような周期的な特性を示す。
【００９１】
なお、多周期にわたる特性の利用には、制御光により高いパワーが必要であるが、このためには、例えばより非線形が高い光ファイバケーブルを用いて非線形光ループミラー１０を構成すればよい。また、非線形光ループミラー１０のループ長については、ループ長が長いほど、制御光は弱くて良いために出来るだけ長くすることが好ましいが、群遅延の差をできるかぎり小さくする必要があると考察できる。
【００９２】
図５は図３の光符号化回路２００の動作例を示すグラフ及びブロック図である。図５においては、各光符号化器２０１，２０２，２０３は、互いに異なる、入力される制御光のパワーレベルに対する出力信号光のパワーレベルの周期特性を有し、特に、それらの周期が２のべき乗の関係を有している場合であり、光符号化器２０１はその周期２Ｔを有し、光符号化器２０２は周期Ｔを有し、光符号化器２０３は周期Ｔ／２を有している。図５の動作例では、入力された時刻ｔ１における信号光が光符号化器２０１，２０２，２０３により符号化された後、光しきい値処理器３０１，３０２，３０３により量子化されて（詳細後述）、３ビットの符号「００１」の光ディジタル信号が出力されることを示されている。なお、Ｎビットの符号の光ディジタル信号を得るためには、光強度に関する入出力特性が周期Ｔ×２（Ｎ−２）をそれぞれ有するＮ個の光符号化器を設ける必要がある。ここで、Ｎは量子化ビット数を表し、自然数である。
【００９３】
図６は図２の光しきい値処理器３０１の詳細構成及びその動作を示すブロック図及びグラフであり、光しきい値処理器３０２，３０３も光しきい値処理器３０１と同様に構成される。図６において、光しきい値処理器３０１は、非線形光ループミラー２０と、２個の光カップラ２１，２２と、光アイソレータ２３と、光帯域通過フィルタ２４と、レーザダイオード２５と、光アイソレータ２６と、光ファイバケーブル２９とを備えて構成される。ここで、非線形光ループミラー２０と、２個の光カップラ２１，２２と、光アイソレータ２３と、光帯域通過フィルタ２４と、光ファイバケーブル２９との接続構成は、光符号化器２０１と同様である。
【００９４】
レーザダイオード２５は、光標本化信号発生器３０から入力される標本化信号の周期で間欠的に、所定の波長λ３を有し、一定の信号レベルの搬送波光のパルス列（搬送波光はパルス列に代えて、連続光であってもよい。）を発生して光アイソレータ２６を介して非線形光ループミラー２０の一端（光カップラ２１の入力端）に入射するように出力する。一方、光符号化器２０１からの信号光は光ファイバケーブル２９の一端を介して入射して光カップラ２２を通過分岐し、光カップラ２２を通過する一方の信号光は光アイソレータ２３を介して無反射終端されるが、光カップラ２２で分岐した他方の信号光は光カップラ２２を介して非線形光ループミラー２０中のループ内に出力される。また、非線形光ループミラー２０の他端には、搬送波光の波長λ３のみを帯域通過ろ波するための光帯域通過フィルタ２４が接続されている。
【００９５】
以上のように構成された光しきい値処理器３０１の動作について図７を参照して説明する。図７は１ビット量子化の動作例であり、光しきい値処理器３０１の入出力が例えば線形特性４０１であれば、入力される信号光はそのまま出力されて量子化できないが、例えば第１の入出力特性４０２（光強度に関する）を有する場合、より小さい光信号はより小さく０に近づく一方、より大きな光信号はより大きく１に近づくように変換される。さらに、第２の入出力特性４０３（光強度に関する）を用いる方がより２値化に近い出力光を得ることができる。なお、第２の入出力特性４０３を得るために、詳細後述するように、光しきい値処理器を多段で縦続接続することが好ましい。
【００９６】
図８は図２の光符号化回路２００及び光量子化回路３００の詳細構成を示すブロック図であり、図９は図８の各光符号化器２０１，２０２，２０３の動作例を示すグラフであり、図９（ａ）は光符号化器２０１の動作例を示し、図９（ｂ）は光符号化器２０２の動作例を示し、図９（ｃ）は光符号化器２０３の動作例を示す。また、図１０は図８の各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３の動作例を示すグラフであり、図１０（ａ）は光しきい値処理器３０１の動作例を示し、図１０（ｂ）は光しきい値処理器３０２の動作例を示し、図１０（ｃ）は光しきい値処理器３０３の動作例を示す。
【００９７】
図８に示すように、光符号化回路２００と光量子化回路３００とを構成した場合、各光符号化器２０１，２０２，２０３の光強度に関する入出力特性をそれぞれ図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示している。ここで、各光符号化器２０１，２０２，２０３は、図９から明らかなように、互いに異なる、入力される制御光のパワーレベルに対する出力信号光のパワーレベルの周期特性を有し、特に、それらの周期が２のべき乗の関係を有している場合であり、光符号化器２０１はその周期２Ｔを有し、光符号化器２０２は周期Ｔを有し、光符号化器２０３は周期Ｔ／２を有している。これら図９に示す信号光をそれぞれ光しきい値処理器３０１，３０２，３０３に入射した場合、図１０に示すようにある程度量子化することができるが、さらに、急峻な量子化特性を得ることが所望される。
【００９８】
これを実現するために、図１１に示すように、光量子化回路３００Ａにおいて、光しきい値処理器を多段で縦続接続している。図１１において、光符号化器２０１の後段において、２段で縦続接続された光しきい値処理器３０１，３１１が接続されている。また、光符号化器２０２の後段において、３段で縦続接続された光しきい値処理器３０２，３１２，３２２が接続されている。さらに、光符号化器２０３の後段において、４段で縦続接続された光しきい値処理器３０３，３１３，３２３，３３３が接続されている。以上のように構成された光量子化回路３００Ａの動作例を図１２に示している。図１２から明らかなように、光しきい値処理器の縦続接続の段数が多いほど、より急峻な矩形化された光強度に関する入出力特性を得ることができる。
【００９９】
以上の実施形態においては、非線形光ループミラーを用いて光しきい値処理器３０１，３０２，３０３を構成しているが、本発明はこれに限らず、非線形光ループミラーのループ中に増幅器を備えた非線形増幅ループミラー（Nonlinear Amplifying Loop Mirror；以下、ＮＡＬＭという。例えば非特許文献４参照。）を用いて構成してもよい。
【０１００】
以上の実施形態においては、光符号化器２０１，２０２，２０３を非線形光ループミラー１０を用いて構成し、光しきい値処理器３０１，３０２，３０３を非線形光ループミラー２０を用いて構成しているが、本発明はこれに限らず、光符号化器２０１，２０２，２０３や光しきい値処理器３０１，３０２，３０３を、光カー効果などの非線形光学効果を有する光ファイバケーブル又は光導波路を用いて構成してもよい。ここで、光カー効果とは、光ファイバケーブル中で発生する非線形光学効果の現象をいい、一般に、光信号の強度に依存して屈折率が変化する非線形屈折率現象をいう。非線形光ループミラー１０と同様の周期特性が得られることが、例えば非特許文献５及び６において開示されている。
【０１０１】
図２３は、本発明の第１の変形例に係る導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。第１の変形例に係る導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器においては、図２３に示すように、３本の光導波路８１，８２，８３が形成され、ここで、少なくとも所定の２箇所でこれら２本の光導波路８１，８２が光学的に結合するように近接されてそれぞれ光カップラ９１，９２を形成する。
【０１０２】
光カップラ９１の光導波路８２上の入力端子をＴ１０１とし、その出力端子をＴ１０３とする一方、光カップラ９１の光導波路８１上の入力端子をＴ１０２とし、その出力端子をＴ１０４とする。また、光カップラ９２の光導波路８２上の入力端子をＴ１１１とし、その出力端子をＴ１１３とする一方、光カップラ９２の光導波路８１上の入力端子をＴ１１２とし、その出力端子をＴ１１４とする。さらに、光カップラ９２の出力端子Ｔ１１４には、後述する出力信号光のみを帯域ろ波する光帯域通過フィルタ９５が接続される。
【０１０３】
また、光カップラ９１の出力端子Ｔ１０４と、光カップラ９２の入力端子Ｔ１１２との間において、光導波路８１に対して光学的に結合するように近接して光導波路８３が形成されて、当該近接箇所において、光カップラ９３が形成される。光カップラ９３の光導波路８１上の入力端子をＴ１２１とし、その出力端子をＴ１２３とする一方、光カップラ９３の光導波路８３上の入力端子をＴ１２２とし、その出力端子をＴ１２４とする。さらに、光カップラ９３の出力端子Ｔ１２４は光アイソレータ９４を介して無反射終端される。
【０１０４】
以上のように構成された、導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器において、波長λ１を有し所定の周期の信号光のパルス列を光カップラ９１の入力端子Ｔ１０１に入力することにより、当該信号光のパルス列を光導波路８２及び８１に分配して入射させる一方、波長λ２を有し所定の周期の制御光のサンプリングされたアナログパルス列を光カップラ９３の入力端子Ｔ１２２に入力することにより、当該制御光のパルス列を光導波路８１に入射させる。ここで、信号光と制御光との間のＸＰＭにより、制御光のパルス列に従って、光カップラ９１で分配された光導波路８１上の片側の信号光のみに位相変化を生じさせ、上記光カップラ９１により分配した２つの信号光を光カップラ９２で再び合成することにより、制御光の信号レベルに従って、信号光の出力レベルを変化させることができる。当該導波路型マッハツェンダ干渉計から出力される出力信号光は、光カップラ９２から光帯域通過フィルタ９５を介して取り出し、当該出力信号光は、制御光の出力電力に対して、図４に示すような非線形ループミラーの場合と同様な周期的な特性を示す。当該導波路型マッハツェンダ干渉計を用いた光符号化器は、図３の光符号化器２０１と同様に、制御光を光符号化して、光符号化された出力信号光を出力する。また、図２３の光符号化器は、図６の光しきい値処理器３０１と同様に、光しきい値処理器としても動作させることができる。
【０１０５】
図２４は本発明の第２の変形例に係る分散不平衡型非線形光ループミラーを用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。第２の変形例に係る光符号化器における分散不平衡型非線形光ループミラー（Dispersion Imbalanced-Nonlinear Optical Loop Mirror；以下、ＤＩ−ＮＯＬＭという。例えば、非特許文献７，８及び９参照。）は、光受動素子のみで構成される非線形光ループミラーとして知られている。
【０１０６】
第２の変形例に係るＤＩ−ＮＯＬＭを用いた光しきい値処理器は、図２４に示すように、分散値Ｄ１と長さＬ１を有する光ファイバケーブル１０１と、分散値Ｄ２（Ｄ２＜Ｄ１））と長さＬ２を有する光ファイバケーブル１０２とを縦続に接続し、光ファイバケーブル１０１の入力端と、光ファイバケーブル１０２の出力端とを、互いに光学的に結合するように近接することにより、４つの端子Ｔ１２１，Ｔ１２２，Ｔ１２３，Ｔ１２４を有する光カップラ１０５を形成する。また、光カップラ１０５の端子Ｔ１２４の近傍であって、光ファイバケーブル１０２の途中に、偏波コントローラ１０６を設けるとともに、光カップラ１０５の出力端子Ｔ１２２には、光ファイバケーブル１０２及び分散補償光ファイバケーブル１０３を介して、出力制御光を取り出す光帯域通過フィルタ１０４を接続されている。
【０１０７】
以上のように構成されたＤＩ−ＮＯＬＭを用いた光しきい値処理器は、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）や非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）と同様に、入射光である制御光の強度に依存する特性を有している。また、偏波コントローラ１０６は、ループ部の偏波を調節するために設けられ、分散補償光ファイバケーブル１０３はループ部の光ファイバケーブル１０１，１０２で受けた分散を補償するものであり、ＤＩ−ＮＯＬＭには必要不可欠なものである。
【０１０８】
ＤＩ−ＮＯＬＭにおける光カップラ１０５の入力端子Ｔ１２１に１つの光パルスが入射すると、光カップラ１０５により時計回りのパルス及び反時計回りの光パルスに１：１の比率で分配される。時計回りの光パルスの伝播に関しては、当該光パルスが光ファイバケーブル１０１に入射すると、高分散（分散値Ｄ１）のためパルス幅が拡がり、ピークパワーが低下する。その後、光パルスは分散値が非常に低い（Ｄ２≒０）光ファイバケーブル１０２を低いピークパワーを維持しながら伝播する。それに対して、反時計回りの伝播に関しては、まず、入射パルスは分散値が小さい光ファイバケーブル１０２を高いピークパワーを維持しながら伝播する。その後、光パルスは光ファイバケーブル１０１に入射される。光ファイバケーブル１０１では高い分散値のために入射後すぐに分散効果を受け、パルス幅が広がりピークパワーが低下する。時計回りと反時計回りの光パルスを比較すると、反時計回りの光パルスの方が高いピークパワーで伝播する距離が長いため、ループ部で受けるＳＰＭ（Self Phase Modulation）の影響は時計回りの光パルスに比べて大きい。このようにして、時計回りの光パルスと反時計回りの光パルスのループ部で受けたＳＰＭの違いによって、入射する制御光の光パルスを透過、あるいは反射させることが可能となる。ＤＩ−ＮＯＬＭの特長としては、信号光や光増幅器等が不要であり、光受動素子のみで構成されること、３ｄＢの光カップラ１０５を用いることで、連続光（Continuous-Wave：ＣＷ）を完全に反射できるということ、分散補償光ファイバケーブル１０３を用いているためループ部の光ファイバケーブルの長さを比較的長くできることが挙げられる。このＤＩ−ＮＯＬＭを用いることで光しきい値処理が光受動素子のみで簡単に行うことが可能となる。
【０１０９】
以上のように構成された、ＤＩ−ＮＯＬＭを用いた光しきい値処理器は、図６の光しきい値処理器３０１と同様に動作させることができる。
【０１１０】
図２５は本発明の第３の変形例に係る光カー効果を有するカーシャッタを用いた光符号化器の構成を示すブロック図である。当該光カー効果を有するカーシャッタは、図２５に示すように、例えば２．０以上の複屈折を有する高複屈折光ファイバケーブル１１１と、それに接続される偏光子１１２とを備えて構成され、例えば非特許文献５の図６．１において開示されているものである。
【０１１１】
図２５において、信号光と制御光とをともに直線偏光で互いに４５度の角度を持たせて高複屈折光ファイバケーブル１１１の入力端から入力する。信号光が無い場合には制御光は偏光子１１２で遮断されて出力端から出力されないが、信号光を入力することで信号光による複屈折のために制御光の偏光が回転し制御光は偏光子１１２を通過して出力されるようになる。制御光の出力電力は信号光の強度により周期的に変化する。
【０１１２】
以上のように構成された、光カー効果を有するカーシャッタを用いた光符号化器においては、図３の光符号化器２０１と同様に、制御光を光符号化して、光符号化された出力信号光を出力する。また、図２５の光符号化器は、図６の光しきい値処理器３０１と同様に、光しきい値処理器としても動作させることができる。
【実施例１】
【０１１３】
図１３は本実施形態に係る実験システムの詳細構成を示すブロック図である。図１３の実験システムにおいて、ファイバリングレーザ（ＦＲＬ）５０は例えば８０ＧＨｚの標本化周波数を有する光アナログ信号を発生して光分配器５７に出力し、光分配器５７は入力される光アナログ信号を２分配して光帯域通過フィルタ５１，５２に出力する。光帯域通過フィルタ５１は入力される光アナログ信号を、所定の波長λ１のみを帯域通過ろ波しかつ、例えば２ピコ秒のパルス幅を有するパルス列を発生して光分配器５６に出力し、光分配器５６は入力される光アナログ信号を３分配して、遅延回路１５及び光アイソレータ１６を介して各光符号化器２０１，２０２，２０３の非線形光ループミラー１０に出力する。
【０１１４】
一方、光帯域通過フィルタ５２は入力される光アナログ信号を、所定の波長λ２のみを帯域通過ろ波しかつ、例えば８ピコ秒のパルス幅を有するパルス列を発生して光変調器５３に出力し、光変調器５３は入力される光アナログ信号を、データ信号発生器５４からのデータ信号に従って強度変調した後、光分配器５６に出力する。ここで、波長λ２は波長λ１の近傍の波長である。光分配器５５は入力される光アナログ信号を３分配して、光増幅器１７及び光アイソレータ１８を介して各光符号化器２０１，２０２，２０３の光カップラ１２を介して非線形光ループミラー１０のループ内に出力する。
【０１１５】
各光符号化器２０１，２０２，２０３では、信号光を制御光の信号レベルに従って符号化し、符号化された信号光は光帯域通過フィルタ１４、光増幅器２７及び光アイソレータ２８を介して各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３の光カップラ２２を介して非線形光ループミラー２０のループ中に出力される。一方、レーザダイオード２５により発生された波長λ３の搬送波光（ここで、波長λ３は波長λ１の近傍波長である。）は光アイソレータ２６を介して各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３の非線形光ループミラー２０のループ中に入力される。これにより、各光しきい値処理器３０１，３０２，３０３では、搬送波光を信号光の信号レベルに従って量子化し、量子化された搬送波光は光帯域通過フィルタ２４を介して外部光回路に出力される。
【０１１６】
図１４は図１３の光符号化回路２００の符号化処理の動作例を示すグラフであって、図１４（ａ）は光符号化器２０１の符号化処理の動作例を示し、図１４（ｂ）は光符号化器２０２の符号化処理の動作例を示し、図１４（ｃ）は光符号化器２０３の符号化処理の動作例を示す。また、図１５は図１３の光符号化回路２００を用いた符号化処理における制御光（λ２）の入力アナログパルスの振幅に対する３ビット符号化値（＃１，＃２，＃３）を示すグラフである。図１４に示すように、各光符号化器２０１，２０２，２０３の光強度に関する入出力特性を設定することにより、入力される制御光の入力電力レベルに応じて適切に符号化されることがわかる。また、図１５に示すように、制御光（λ２）の入力アナログパルスの振幅に対して符号値は１対１で対応するように符号化されており、上述のように、各光符号化器２０１，２０２，２０３の光強度に関する入出力特性（特に、非線形光ループミラー１０の周期特性）を変更することにより符号化処理に自由度を与えることができる。
【０１１７】
図１６は図１３において理想的な非線形光ループミラーを用いて実験システムを構成したときに、１段の光しきい値処理器の処理後のアナログパルスの振幅を変化したときの符号化後の３ビット符号化値（＃１，＃２，＃３）とそのパルス波形を示す図である。図１６から明らかなように、アナログパルスの振幅に応じて適切に符号化された光ディジタル信号が得られることがわかる。
【実施例２】
【０１１８】
次いで、本発明者らが行ったシミュレーションとその結果について以下に説明する。このシミュレーションの諸元を以下の表に示す。
【０１１９】
【表１】
【０１２０】
【表２】
【０１２１】
【表３】
【０１２２】
図１７は本実施形態に係る第１のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。図１７において、ファイバリングレーザ（ＦＲＬ）６１は波長λ１の信号光を発生して光符号化器２０１の非線形光ループミラー１０のループ中に出力する。一方、ファイバリングレーザ（ＦＲＬ）６２は波長λ２の制御光を発生して光遅延回路６３及び光カップラ１２を介して光符号化器２０１の非線形光ループミラー１０のループ中に出力する。光符号化器２０１は信号光を入力される制御光の信号レベルに応じて符号化し、符号化された信号光を光帯域通過フィルタ１４を介して出力する。
【０１２３】
図１８は図１７の第１のシミュレーションの結果であって、制御光（λ２）のパルスのピークパワーに対する信号光（λ１）のパルスのピークパワーを示すグラフである。図１８から明らかなように、図１７のシミュレーション値として、周期特性の理論値に近い結果が得られた。ただし、当該シミュレーションでは、四光波混合を無視している。なお、シミュレーション値と理論値との差は、非線形光ループミラー１０の分散によるウォークオフによるものと考えられる。
【実施例３】
【０１２４】
図１９は本実施形態に係る第２のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。図１９の第２のシミュレーションでは、図１７のシミュレーションに比較して、ファイバリングレーザ６２により発生したピークパワー１Ｗの制御光を、３段の３ｄＢ光カップラ７１，７２，７３を用いて減衰させ、３つの光信号レベルを有する制御光を発生してそれぞれ各光符号化器２０１，２０２，２０３に入力したときの出力信号光のレベルを測定した。なお、光カップラ７１からの制御光のレベルを１とすると、光カップラ７２からの制御光のレベルは１／２となり、光カップラ７３からの制御光のレベルは１／４となる。
【０１２５】
図２０は図１９の第２のシミュレーションの結果であって、図２０（ａ）は光符号化器２０１からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり、図２０（ｂ）は光符号化器２０２からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり図２０（ｃ）は光符号化器２０３からの信号電力のパルス波形を示す波形図である。図２０から明らかなように、各光符号化器２０１，２０２，２０３に入力される制御光のレベルに応じて符号化された信号光が得られている。
【実施例４】
【０１２６】
図２１は本実施形態に係る第３のシミュレーションの実験システムの構成を示すブロック図である。図２１の第３のシミュレーションでは、図１９のシミュレーションに比較して、ファイバリングレーザ６２により発生した制御光のピークパワーを１．５Ｗに変更した場合であり、その他の構成は第２のシミュレーションと同様である。
【０１２７】
図２２は図２１の第３のシミュレーションの結果であって、図２２（ａ）は光符号化器２０１からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり、図２２（ｂ）は光符号化器２０２からの信号電力のパルス波形を示す波形図であり図２２（ｃ）は光符号化器２０３からの信号電力のパルス波形を示す波形図である。図２２から明らかなように、各光符号化器２０１，２０２，２０３に入力される制御光のレベルに応じて符号化された信号光が得られている。また、図２０と図２２のシミュレーション結果を比較すれば、適切に符号化されていることがわかる。
【０１２８】
以上説明したように、本実施形態に係る光Ａ／Ｄ変換装置１００によれば、標本化された光アナログ信号を光ディジタル信号に光Ａ／Ｄ変換することができ、標本化周波数の上限は数百ギガ数テラヘルツオーダーまで原理的に可能であり、電気回路のＡ／Ｄ変換の標本化周波数の限界を数十ギガヘルツとすると、二桁程度の高速化が可能である。また、入出力が光信号なので光ネットワークへの応用に適している。
【０１２９】
第２の実施形態．
次いで、第２の実施形態では、上記光Ａ／Ｄ変換装置１００などに用いられる非線形光ループミラー（Nonlinear Optical Loop Mirror：以下、ＮＯＬＭという。）について以下に説明する。
【０１３０】
従来用いられてきたＮＯＬＭは、入力光パワーと出力光パワーの間に図２７のような関係がある。ここで、入力光パワーとは、光パルスのＳＰＭ（self-phase modulation）による位相シフトを利用した干渉スイッチ（セルフスイッチ）の場合は信号光の入力パワーであり、制御光と信号光のＸＰＭ（cross-phase modulation：相互位相変調）による位相シフトを利用した干渉スイッチ（ＸＰＭスイッチ）の場合は制御光の入力パワーである。また出力光パワーとは、ＮＯＬＭの透過ポートより出力される信号光の出力光パワーである。また、以後、特に指定する場合を除き、制御光及び信号光はパルスの形態をとるものとする。
【０１３１】
入力パワーが十分小さい場合は、出力パワーも抑圧される。一方、入力パワーを大きくしていくと出力パワーも正弦波曲線に従って大きくなり、入力パワーがＰ１のときにピーク値をとる。この伝達関数を用いると、制御光のあるなしによる信号光の反射・透過を制御できるスイッチが実現できる。あるいは伝送により振幅のゆらいだ信号を制御光とし、それによるプローブ光のスイッチングを行うと、０レベルや１レベルが雑音によってゆらいだとしても、出力ではゆらぎが抑圧され、波形整形効果が期待できる。このように、半周期の正弦波曲線からなる伝達特性を持つＮＯＬＭがこれまで実現され、用いられてきた。
【０１３２】
このようなＮＯＬＭとしては、光パルスのＳＰＭによる位相シフトを利用した干渉スイッチ（例えば、非特許文献３参照。）、制御光と信号光のＸＰＭによる位相シフトを利用した干渉スイッチ（例えば、非特許文献１０参照。）の提案が発端であり、これに関連して高非線形ファイバを用いたＮＯＬＭ（例えば、特許文献２参照。）、ＮＯＬＭ中のＦＷＭを利用した信号処理（例えば、特許文献３参照。）、制御光と信号光のウォークオフを抑圧することでＸＰＭの効率を向上したＮＯＬＭ（例えば、特許文献５、特許文献２、特許文献６、特許文献７、特許文献８及び特許文献１０参照。）、そしてファイバを平均分散零の分散マネージメント構成とし、ウォークオフを減らすことに加え、制御光パワーの減少要因であるＦＷＭを抑圧することによってＸＰＭの効率を向上したもの（例えば、特許文献１０参照。）などがある。また、ＮＯＬＭにおける偏光に関する特性についてもいろいろ知られている（例えば、特許文献４及び特許文献９参照）。
【０１３３】
一方、光符号化器や光しきい値処理器では、図２８のように複数の周期からなる正弦波曲線である伝達特性を持つＮＯＬＭが使用されるが、従来技術ではこのようなＮＯＬＭは実現されていない。以下に示すように本発明の実施形態に係るＮＯＬＭは１周期以上の伝達関数を有し、光Ａ／Ｄ変換をはじめ種々の光信号処理に適した特性を与えることができる。
【０１３４】
図２６にＮＯＬＭ５００の構成を示す。ＮＯＬＭ５００は、光ファイバ５０１と、光信号の入力端５１０から入力された光信号５３０を２分岐して光ファイバ５０１の両端５１１、５１２に出力し、かつ上記光ファイバ５０１の両端５１１，５１２から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端５１０及び他の出力端５１３に分岐出力するように接続された光カップラ５０２と、制御光５３１を上記光ファイバ５０１に入力する制御光入力手段５２４と、上記光ファイバ５０１の光路上に配置される非線形媒質である高非線形ファイバ（以下、ＨＮＬＦ（High Non-Linear optical Fiber）という。）５０４からなる。ここで、入力信号光５３０は入力パワーＰｉｎと波長λＳを有し、制御光５３１は、ピークパワーＰｃと平均パワーＰａｖｅと波長λＣとを有する。
【０１３５】
光信号の入力端５１０から入力した入力パワーＰｉｎの信号光５３０は、光カップラ５０２でそれぞれ位相変化を伴わない伝搬光５３２、位相がπ／２だけ進んだ伝搬光５３３に分岐されて光ファイバ５０１で形成されたループを図面上それぞれ右回り、左回りに伝搬する。伝搬光５３２は、制御光入力手段５２４から入力されたピークパワーＰｃ、平均パワーＰａｖｅの制御光５３１とできるだけ広い範囲で重なるように合波されて、非線形性係数がγで長さがＬの非線形媒質であるＨＮＬＦ５０４をへて光ファイバ端５１２から光カップラ５０２に入力する。
【０１３６】
また、伝搬光５３３はファイバ５０１で形成されたループを図面上左回りに伝搬し、制御光とはほとんど重なることなく、ＨＮＬＦ５０４をへて光ファイバ端５１１から光カップラ５０２に入力する。
【０１３７】
制御光がない場合、右回りと左回りで発生する位相シフトにはほとんど差が生じない。そのため出力端５１３では位相シフトを伴わない右回りの伝搬光５３２の成分と光カップラ５０２で２回にわたってπ／２の位相シフトを受けた左回りの伝搬光５３３の成分とが相殺しあって出力は０となる。また、入力端５１０ではともに１回ずつπ／２の位相シフトを光カップラ５０２で受けた伝搬光５３２、５３３の各成分が強めあい、入力パワーとほぼ同じパワーの戻り光が入力した信号光５３０と逆方向に入力端５１０へ出力される。
【０１３８】
制御光５３１がある場合、伝搬光５３２はこれと重なるようにして、ＨＮＬＦ５０４を伝搬するため、伝搬光５３２と制御光５３１の間では制御光５３１のパワーに依存した相互位相変調（Cross-Phase Modulation：ＸＰＭ）による位相シフトが発生する。一方、伝搬光５３３はこのＸＰＭに起因する位相シフトがほとんど発生しないため、伝搬光５３２と伝搬光５３３の間には制御光５３１のパワーに依存した位相シフト差ができ、これによって入力端５１０及び他の出力端５１３に出力されるパワーを制御することができる。
【０１３９】
この系において、出力パワーＰｏｕｔの出力信号光５３４と、入力パワーＰｉｎの入力信号光５３０のパワー比は以下の伝達関数によって与えられる。
【０１４０】
［数５］
Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ＝［１−ｃｏｓ（φＸＰＭ）］／２ （５）
［数６］
φＸＰＭ＝２γ（Ｐｃ−Ｐａｖｅ）Ｌ （６）
【０１４１】
ここで、１周期以上、より好ましくは、２周期以上の伝達関数を実現するためには、制御光と信号光の間で発生するＸＰＭによる信号光の位相シフトの差φＸＰＭ＝２γ（Ｐｃ−Ｐａｖｅ）Ｌとして、少なくとも２π（１周期、図２８のＰ２に相当）あるいは４π（２周期、図２８のＰ４に相当）が必要である。
【０１４２】
そこで、
（ｉ）非線形媒質であるＨＮＬＦ５０４の非線形性、距離、そして制御光５３１のパワーのいずれか、あるいはすべてを大きくする、
（ii）制御光５３１と信号光５３０の偏光状態を最適（ＸＰＭの発生効率を最大）にする、
（iii）制御光５３１と信号光５３０の波長差が分散を介して群遅延が発生する（以下、ウォークオフという）のを避けるために、非線形媒質であるＨＮＬＦ５０４の分散値もしくは与えられた分散値に対して信号光５３０と制御光５３１の波長配置を変えることで、ウォークオフを抑えるように設定する、
（iv）ウォークオフも考慮に入れて、時間軸上で制御光５３１と信号光５３０の位置を最適にする、などの方法によって、効率よくＸＰＭを発生させ位相シフトを大きくすることができる。
【０１４３】
また、上記（iii）を実現するには、任意の波長で分散値が零のファイバ（分散フラットファイバ；ＤＦＦ）を用いるか、一定の分散スロープを持つ通常の分散シフトファイバ（ＤＳＦ）をファイバ５０４上で用いて、制御光５３１の波長λＣと信号光５３０の波長λＳの中間にそのファイバ（ＤＳＦ）の零分散波長λ０を設定する方法が考えられる。後者の方法ではファイバ（ＤＳＦ）の零分散波長が長手方向に揺らいだ場合に、波長λＣと波長λＳの波長差Δλと、分散値の積に比例してウォークオフが発生するため、その積をウォークオフの発生が問題にならない程度に抑制する必要がある。
【０１４４】
いずれの場合も波長λＣは零分散波長λ０に近くなり、波長λＣにおける分散値が零に近い値となる。このとき制御光５３１をポンプ光とする縮退四光波混合（ＦＷＭ）に伴う、パラメトリック利得が信号光５３０に対して生じる。この現象によって信号光５３０は右回りに制御光５３１とともに伝搬する際に増幅されるが、一方で左回りにそれのみで伝搬する信号光５３０は利得を受けないので、結果的に伝搬光５３２及び５３３のパワーに不均衡状態が発生する。そのような不均衡状態が顕著になると、図２８の入力パワーＰ２やＰ４において得られる出力パワーが十分に小さな値とならず、大きな問題となる。
【０１４５】
図２８の伝達関数において重要な点は、入力パワーＰ２やＰ４に対する出力パワーが、ピーク値（入力パワーＰ１やＰ３に対する出力パワーの値）を１とした場合に対して最適に設定したしきい値以下となることである。
【０１４６】
つまり、ＮＯＬＭの出力信号に対して、先に設定したしきい値を適用することで、ディジタル情報処理の基本である２進数の信号処理が実現される。例えばそのしきい値を０．５と設定したとき、入力パワーがＰ２やＰ４のときに、もし前述のパラメトリックプロセスによる利得が３ｄＢを上回れば、位相干渉によって透過されないはずの光が、パワー０．５を上回って透過されてしまうため、２進数の信号処理を行うことが不可能になる。一般に言えば、しきい値Ｔ（０＜Ｔ＜１；Ｐ２及びＰ４における出力パワーと、Ｐ１及びＰ３における出力パワーの比）、パラメトリック利得Ｇ（＞１；非線形媒質における伝搬光５３２の入出力パワーの比）に対して、Ｇ＜２Ｔ＋１であることが必要である。これによって、入力パワーＰ２やＰ４に対する出力パワーを所望のしきい値以下に抑えることができ、光Ａ／Ｄ変換をはじめとする光による２進数の信号処理が実現される。この事実は、図２８の伝達関数を持つＮＯＬＭを実現する上で非常に重要な知見であるが、これまで知られていなかった。
【０１４７】
そこで、制御光５３１と同じ向きに伝搬する信号光５３０が制御光５３１から受けるパラメトリック利得を所定の値（例えば３ｄＢ）以下に抑えるために、本発明の実施形態では、以下の方法を提案する。非特許文献５によると、一般に光ファイバ中において、直線偏光である周波数ωＣの連続光をポンプ光とする場合に、ポンプ光と同じ偏光状態で同じ方向に伝搬する周波数ωＳの信号光が得る縮退パラメトリック利得Ｇは、次式で与えられる。なお、ここでの議論で用いられる「ポンプ光」は、本発明の実施形態に係るＮＯＬＭにおける制御光に相当する。
【０１４８】
［数７］
Ｇ（ｚ）＝１＋（γ２Ｐ０２／ｇ２）ｓｉｎｈ２（ｇｚ） （７）
［数８］
ｇ２＝γ２Ｐ０２−κ２／４ （８）
［数９］
κ＝Δｋ＋２γＰ０ （９）
［数１０］
Δｋ＝Δω２ｋ０” （１０）
【０１４９】
ここで、ｚ，γ，Ｐ０，ｋ０”，Δωはそれぞれファイバの長さ［ｍ］、ファイバの非線形定数［Ｗ−１ｍ−１］、ポンプ光のパワー［Ｗ］、ファイバの分散値［ｓ２／ｍ］、そしてポンプ光と信号光の周波数差［ｓ−１］であり、ファイバの４次以上の分散や損失の効果は無視した。これらの値を与えれば、信号光が受けるパラメトリック利得は式（７）乃至式（１０）から一意に決定できる。例えば、ｚ＝０．３２［ｋｍ］，γ＝１７．５［Ｗ−１ｋｍ−１］、Ｐ０＝２［Ｗ］とした場合に、ｋ０”，Δωの値に対する利得の変化について考えてみる。なお、ファイバ分散値はｋ０”［ｐｓ２／ｋｍ］に対してｋ０”＝−１．２８４Ｄの関係を持つ分散Ｄ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］を用いることとし、周波数差Δωはポンプ光と信号光の波長差Δλ＝｜λＣ−λＳ｜を用いて、Δω＝２πｃΔλ／λと書けるものとする。ただし、ｃ＝２．９９８×１０８［ｍ／ｓ］及びλ＝１．５５［μｍ］はそれぞれ真空中における光速及び搬送波の波長である。まず、ポンプ光と信号光の波長差Δλを１０ｎｍとおき、ポンプ光の波長λＣにおけるファイバ分散値Ｄ（λＣ）を変化させた場合に、式（７）乃至式（１０）の計算より得られるパラメトリック利得を図２９に示す。
【０１５０】
図２９において、Ｄ≒１［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］で見られる大きな利得は、異常分散領域で発生する変調不安定現象として知られている。例えば、パラメトリック利得を３ｄＢ以下に抑えるためには、正常分散領域でＡ点における分散値Ｄ’よりも小さな値にするか、異常分散領域においてＢ点における分散値Ｄ”よりも大きな値に設定する必要がある。図２９において一般に｜Ｄ’｜＜｜Ｄ”｜であるが、分散値の絶対値に比例するウォークオフを低減することを考えると、絶対値の小さな正常分散値であるＤ’を採用することが好ましい。また、大きなエネルギーを持つパルスが異常分散ファイバを伝搬すると、高次ソリトンを励起することで制御光の波形が著しく劣化し、結果的にＸＰＭの効率が劣化することも考えられるため、この点からも、異常分散値Ｄ”を採用することは、Ｄ’と比べて好ましくない。ただし、ウォークオフやソリトン励起による波形劣化が問題とならなければ、図２９のＤ＞Ｄ”の条件で、ファイバの分散値を異常分散とすることも可能である。
【０１５１】
次に、分散値をＤ＝−０．６２［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］とおき、ポンプ光と信号光の波長差Δλ＝｜λＣ−λＳ｜を変化させたときに、式（７）乃至式（１０）より得られるパラメトリック利得を図３０に示す。図３０より、Δλを大きくすることで、パラメトリック利得が抑圧されることがわかる。例えばパラメトリック利得を３ｄＢ以下にするという条件のもとで、ウォークオフやパルスの波形広がりなど分散による影響を最小にしたければ、ポンプ光と信号光の波長差を図３０のＣ点における値Δλ’に設定すればよい。
【０１５２】
以上のように、パラメトリック利得を一定値以下に抑圧するためには、ポンプ光の波長におけるファイバの分散値を、一定値以上のパラメトリック利得を与える最小の分散値（図２９中のＡ点に対応）よりも小さな値にすること、もしくは一定値以上のパラメトリック利得を与える最大の分散値（図２９中のＢ点に対応）よりも大きな値にすることと、ポンプ光と信号光の波長差を一定値以上のパラメトリック利得を与える最大の波長差（図３０中のＣ点に対応）よりも大きくすることが有効であることが示された。なお、図２９、図３０中のＡ，Ｂ，Ｃ点はそれぞれのグラフの包絡線上で与えてもよい。
【０１５３】
いま考えている図２６のＮＯＬＭ５００中で同一方向に伝搬する制御光５３１と信号光５３０（伝搬光５３２）の間で発生するパラメトリックプロセスを考える場合、それらが単一周波数の連続光ではなく、パワーが時間によって変化するパルスであること、そしてパルス同士のウォークオフや偏光状態の不一致などにより制御光及び信号光パルス間のＦＷＭの効率が劣化することなど、様々な要因から式（７）乃至（１０）の計算結果は誤差を生ずる。しかし、図２９や図３０に示したパラメトリック利得の各種パラメータ依存性は、ＮＯＬＭ５００中のパルスの場合についても、実験的に測定することが可能であり、具体的にどのような分散値、あるいは波長差を与えればよいかという指針を与えることができる。
【０１５４】
図３１及び図３２において、ＮＯＬＭ５００中を同一方向に伝搬する制御光５３１と信号光５３０（伝搬光５３２）の間で発生するパラメトリック利得を効果的に抑圧し得る、ファイバの波長分散特性と制御光、信号光の波長配置を示す。図３１はファイバの波長分散特性がｄＤ／ｄλ＞０の場合であって、λＣ＜λＳ＜λ０である。さらに、図２９及び図３０において、いまの場合についての分散Ｄ’及び波長差Δλ’を用いて、Ｄ（λＣ）＜Ｄ’、Δλ＝｜λＣ−λＳ｜＞Δλ’を満たしているものとする。図３２はｄＤ／ｄλ＜０の場合であって、以下は図３１の条件と同様である。
【０１５５】
ポンプ光である制御光５３１の波長λＣにおける正常分散値Ｄ（λＣ）＜０及び制御光５３１と信号光５３０の波長差Δλは、それぞれが大きい値であるほどパラメトリック利得も抑圧されるが、逆に大きくしすぎると、ウォークオフの増大や、分散によるそれぞれのパルスの波形ひずみに起因してＸＰＭの効率が劣化するため好ましくない。そこで、信号光５３０が得るパラメトリック利得がある値以下になるように、かつＸＰＭの効率が低減されないよう制御光５３１と信号光５３０のウォークオフや時間差、あるいはそれらの偏光状態を最適に設定した設計を行うことで、図２８のような伝達関数を持つＮＯＬＭが実現可能となる。なお、ウォークオフは制御光５３１と信号光５３０の波長差Δλと、制御光５３１の波長λＣにおける分散値Ｄ（λＣ）との積の絶対値に比例するので、それを抑制すればよい。また、図３１及び図３２で制御光と信号光の波長を入れ換えた場合でも、Ｄ（λＣ）＜Ｄ’が満たされていればよい。またループ中のファイバ及び非線形媒質の偏光が常に保持されるような構成にすることで、ＸＰＭをより効率的に発生させることができる。具体的には偏光保持ファイバを用いて、制御光と信号光が常に同じ直線偏光であるようにすればよい。その際パラメトリックプロセスによる信号光の利得も増大するが、その点も考慮して先に述べた設計方法を適用すればよい。
【０１５６】
以上に図２８のような伝達関数をもつＮＯＬＭを設計する方法について述べたが、これを簡単にまとめたものを図３３に示す。本発明の実施形態に係るＮＯＬＭは、図３３のフローチャートに示される設計処理の手順に従って行われる。
【０１５７】
図３３において、まず、ステップＳ１において、ＮＯＬＭの伝達関数を決定し、すなわち、１−ｃｏｓφで角度φの最大値φｍａｘを決定する。次いで、ステップＳ２において、伝達関数において、所望の信号処理に適したしきい値を決定し、ステップＳ３において、ＮＯＬＭに用いるファイバパラメータ及び制御光の条件を仮決めする。そして、ＸＰＭによる位相シフトの最大値が、角度の最大値φｍａｘに及んでいるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ５に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３に戻る。さらに、ステップＳ５において、伝達関数の角度φ＝２ｎπ（ｎ＝１，２，…）に対する条件で、信号光が制御光から受けるパラメトリック利得が先に設定したしきい値以下であるか否かが判断され、ＹＥＳのときはステップＳ６に進む一方、ＮＯのときはステップＳ３に戻る。さらに、ステップＳ６では、当該条件での設計を確定し、当該設計処理を終了する。
【０１５８】
本発明の実施形態によって、出力光パワーの制御範囲が１周期をこえ、位相差２ｎπ（ｎ＝１，２，…）における出力光パワーをピークパワーに対して光信号処理で必要とされるしきい値以下に抑えることができるＮＯＬＭが実現された。この用途のひとつは、光Ａ／Ｄ変換である。他に考えられる形態は、例えばＱＡＭ、ＰＳＫ、ＡＳＫなど多値通信の復号化がある。別の視点からは、ＮＯＬＭ中のＸＰＭを用いたスイッチングではなく、制御光によって信号光に与えられるパラメトリック利得を積極的に用いたスイッチングデバイスの実現なども考えられる。
【実施例５】
【０１５９】
図３４は本発明の実施形態に係るＮＯＬＭ５５０の形態を示している。以下では、ＮＯＬＭの５５０伝達関数においてしきい値を０．５と設定した場合の信号処理を仮定して、これに対応できるＮＯＬＭの実施例について述べる。
【０１６０】
ＮＯＬＭ５５０において、信号光は入力端５８０から入力し３ｄＢカップラ５５２で分岐された後にそれぞれ光ファイバ５５１を逆方向に伝搬する。右回りの信号光には制御光入力端５７１から入力される制御光がＷＤＭカップラ５７４を介して広い範囲で重なるように合波された後に、１７ｄＢカップラ５５３を介してＨＮＬＦ（高非線形ファイバ）５５４を伝搬する。ＮＯＬＭ５５０中で用いられているＨＮＬＦ５５４はファイバ長が３８０ｍ、非線形定数が１７．５Ｗ−１ｋｍ−１、零分散波長が１５７５ｎｍ、分散スロープが０．０２７ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ、ファイバ損失が０．６７ｄＢ／ｋｍである。また幅が約１５ｐｓのパルス列である制御光の波長は１５５２ｎｍ、幅が約３．４ｐｓのパルス列である信号光の波長は１５６８ｎｍであり、それぞれのパルス列の繰り返し周波数は１０ＧＨｚで、制御光と信号光の波長差は１６ｎｍである。また、制御光の波長におけるＨＮＬＦ５５４の分散値は−０．６２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、つまり正常分散値である。
【０１６１】
ＸＰＭを効率よく発生させるために、信号光の時間遅延量及び制御光の偏光を最適な状態に設定してある。以下に、その具体的な内容を示す。
【０１６２】
（Ａ）信号光の偏光の調整：まず制御光を入射しない状態で入力端５８０から信号光を入射し、ループ中の偏波コントローラ（ＰＣ）５９２を操作して信号光が完全に入射端に反射してくる状態を作成し、光サーキュレータ５９８を用いて反射光受光端５９３で検知する。具体的には３ｄＢカップラの端子５６１、５６２で分岐された右回りと左回り信号光が、ループを伝搬し終えてそれぞれ端子５６２及び５６１に達した際に、それぞれの信号光の偏波が同じになるように、ループ中の偏波コントローラ（ＰＣ）５９２を調整する。この状態でＮＯＬＭ５５０は反射率１００％、透過率０％のループミラーとして働く。
【０１６３】
（Ｂ）遅延線の調整：その後制御光を入射し、制御光のパワーを少しずつ上げてゆく。ＮＯＬＭ５５０の伝達特性の最初の立ち上がり（ＸＰＭによる信号光の位相シフトφＸＰＭが０付近）の付近で遅延線５９７の遅延量を変えて、信号光の出力パワーが最大となるように調整する。その後、制御光のパワーをさらに上げてゆき、伝達特性の最初の谷（φＸＰＭ＝２π）に達するまで制御光のパワーを上げる。この状態で遅延量の微調整を行い、出力端５８４での信号光のパワーが最小となるように調整する。このように、ＨＮＬＦ５５４中を伝搬する信号光と制御光のパルスがより広い範囲で重なるようにすることで、ＸＰＭを効率的に発生させることができる。
【０１６４】
（Ｃ）制御光の偏光調整：ＮＯＬＭ５５０の伝達特性の最初の立ち上がり付近で制御光のパワーを上げてゆき、制御光を入射する伝搬路の偏波コントローラ（ＰＣ）５９１を調整し、出力信号光パワーが最大となるようにする。これによって、制御光と信号光の偏波状態の関係がＸＰＭの発生効率を最大にする条件を与える。
【０１６５】
（Ｄ）バンドパスフィルタの選定：本実験で使用する信号光と制御光は、それぞれＬ及びＣバンド帯にあるので、これらを分離するために出力端でバンドパスフィルタの代わりに、損失の小さいＣ／Ｌバンド用ＷＤＭカップラ５９５を用いた。
【０１６６】
（Ｅ）信号光と制御光の同期：本実施例では同一光源から波長変換を通して両光を発生しているので簡単に同期が取れている。信号光と制御光が別に入力される場合は、双方のパルスがＨＮＬＦ中で最大限に重なるように同期を取ることで、ＸＰＭの発生効率をあげることができる。
【０１６７】
本実施形態において得られたＮＯＬＭ５５０の伝達関数を図３５に示す。図３５より、制御光と信号光のＸＰＭによる信号光の位相シフトが５πに達し、その位相シフトが２πや４πのときの出力パワーがピーク値に対して半分以下かつ十分小さいＮＯＬＭが実現できた。
【実施例６】
【０１６８】
一方、ＮＯＬＭ５５０中で用いられているＨＮＬＦ５５４にファイバ長が３８０ｍ、非線形定数が１７．５Ｗ−１ｋｍ−１、零分散波長が１５６０ｎｍ、分散スロープが０．０２４ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍのものを用い、制御光と信号光の波長をそれぞれ１５５０ｎｍ，１５７０ｎｍ（波長差２０ｎｍ）とし、制御光のパルス幅を８．５ｐｓとしてその他の条件を同一としたとき、同様に伝達関数を測定した結果を図３６に示す。ＸＰＭを効率的に発生させることにより多周期化されている。
【０１６９】
ここで、制御光の波長における分散値は−０．２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、正常分散ではあるがその値が小さいため、信号光が大きなパラメトリック利得を受けている。つまり、右回りと左回りの信号光のパワーに不均衡が生じて干渉がうまく作用せず、信号光の位相シフトがπもしくは３πにおける出力パワーが０．５以下とならずに、その結果所望の伝達関数が得られていない、つまり少なくとも、φＸＰＭ＝２πにおける出力光パワーがφＸＰＭ＝πにおける出力光パワーの半分以下になるという条件が満たされていない。
【実施例７】
【０１７０】
その他の実施例として、図３４のＮＯＬＭ５５０において異なるパラメータを持つ別のファイバをＨＮＬＦ５５４として用い、多周期ＮＯＬＭを実現した例を他に２つの場合を示す。
（１）ＨＮＬＦのファイバ長が４０６ｍ、非線形定数が１２Ｗ−１ｋｍ−１、零分散波長が１５６７ｎｍ、分散スロープが０．０２１ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ（制御光波長における分散値は−０．３１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）、ファイバ損失が０．４２６ｄＢ／ｋｍであるＮＯＬＭの伝達特性を図３７に示す。
（２）ＨＮＬＦのファイバ長が４０３ｍ、非線形定数が１２Ｗ−１ｋｍ−１、零分散波長が１５６８ｎｍ、分散スロープが０．０２１ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ（制御光波長における分散値は−０．３３６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）、ファイバ損失が０．４１１ｄＢ／ｋｍであるＮＯＬＭの伝達特性を図３８に示す。
【０１７１】
本発明の実施形態によって実現されたＮＯＬＭの用途のひとつは、光Ａ／Ｄ変換である。他に考えられる形態は、例えばＱＡＭ、ＰＳＫ、ＡＳＫなど多値通信の復号化がある。別の視点からは、ＮＯＬＭ中のＸＰＭを用いたスイッチングではなく、制御光によって信号光に与えられるパラメトリック利得を積極的に用いたスイッチングデバイスの実現なども考えられる。
【０１７２】
以上説明したように、本発明の実施形態に係るＮＯＬＭ内の光ファイバにおいて制御光が引き起こすパラメトリックプロセスによって、制御光と同じ向きに進む信号光が受ける利得が、設定したしきい値に対して決定される許容値以下に抑圧されるように設計されたことを特徴とする設計を行うことで、図２８のような伝達関数を持つＮＯＬＭが実現できる。
【０１７３】
第３の実施形態．
図３９は本発明の第３の実施形態に係る多値光信号復号器４００の構成を示すブロック図であり、図４０は図３９の各光信号処理器４０１，４０２における入力パルス強度に対する出力パルス強度を示すグラフである。
【０１７４】
図３９において、多値光信号復号器４００は、例えば多値光通信システムにおいて用いられ、３ｄＢ光カップラ４１０と、２個の光信号処理器４０１，４０２とを備えて構成される。ここで、光信号処理器４０１は、図３の光符号化器２０１と同様に、ＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光アイソレータ１６，１８と、光ファイバケーブル１９と、信号光パルス光源４１１とを備えて構成され、信号光パルス光源４１１からの信号光パルスは光アイソレータ１６を介して、光信号処理器４０１のＮＯＬＭ１０の光ファイバケーブルに入力される。また、光信号処理器４０２は、図３の光符号化器２０１と同様に、ＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光アイソレータ１６，１８と、光ファイバケーブル１９と、信号光パルス光源４１２とを備えて構成され、信号光パルス光源４１２からの信号光パルスは光アイソレータ１６を介して、光信号処理器４０２のＮＯＬＭ１０の光ファイバケーブルに入力される。ここで、光信号処理器４０１、４０２は、図４０に示すように、互いに異なる周期の伝達関数を有し、具体的には、光信号処理器４０１の伝達関数の周期は光信号処理器４０２の伝達関数の周期の３倍に設定されている。
【０１７５】
以上のように構成された多値光信号復号器４００では、多値パルス列光信号が光カップラ４１０に入力されて２分配される。２分配後の一方の多値パルス列光信号が光アイソレータ１８、光ファイバケーブル１９及び光カップラ１２を介して光信号処理器４０１のＮＯＬＭ１０に入力され、このとき、上記信号光パルスと合成されて上述の非線形光処理が行われ、処理後の２値パルス列光信号ｘが、光カップラ１１から光帯域通過フィルタ１４を介して出力される。また、２分配後の他方の多値パルス列光信号が光アイソレータ１８、光ファイバケーブル１９及び光カップラ１２を介して光信号処理器４０２のＮＯＬＭ１０に入力され、このとき、上記信号光パルスと合成されて上述の非線形光処理が行われ、処理後の２値パルス列光信号ｙが、光カップラ１１から光帯域通過フィルタ１４を介して出力される。
【０１７６】
次いで、多値光信号復号器４００を用いた入力４値及び出力２値のときの光強度多値通信システムの応用例について以下に説明する。
【０１７７】
図４１（ａ）は図３９の多値光信号復号器４００を用いた第１の応用例を示す光強度多値通信システムのための復号装置の構成を示すブロック図であり、図４１（ｂ）は図４１（ａ）の復号装置の符号割り当て例を示す表である。図４１の第１の応用例において、図４１（ｂ）に示すように、光強度に対して符号を割り当てたとき、４値の多値光信号を多値光信号復号器４００に入力したとき、２つの２値光信号ｘ，ｙを得ることができる。このように、光信号の振幅を多値化することにより周波数の利用効率を増大させることができる。
【０１７８】
図４２（ａ）は図３９の多値光信号復号器４００を用いた第２の応用例を示す光強度多値通信システムのための復号装置の構成を示すブロック図であり、図４２（ｂ）は図４２（ａ）の復号装置の符号割り当て例を示す表である。図４２の第２の応用例において、図４２（ｂ）に示すように、光強度に対して符号を割り当てたとき、４値の多値光信号を多値光信号復号器４００に入力した後、多値光信号復号器４００からの２つの出力光信号のうち一方の出力光信号のみを、元の多値光信号のパルス周期の半分だけ遅延する光遅延回路４２１を介して通過させ、通過後の光信号と、上記他方の出力光信号とを３ｄＢ光カップラ４２２により合成し、合成後の光信号を時分割多重化された２値光信号として得ることができる。このように、光信号の振幅を多値化することにより周波数の利用効率を増大させることができる。
【０１７９】
以上の実施形態において、２個の光信号処理器４０１，４０２を並列に配置して多値光信号復号器４００を構成しているが、本発明はこれに限らず、互いに異なる伝達関数を有する３個以上の複数の光信号処理器を並列に配置して多値光信号復号器を構成してもよい。
【０１８０】
第４の実施形態．
図４３は本発明の第４の実施形態に係る光論理演算回路６００の構成を示すブロック図であり、図４４（ａ）は図４３の光論理演算回路６００のＯＲ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、図４４（ｂ）は図４３の光論理演算回路６００のＡＮＤ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、図４４（ｃ）は図４３の光論理演算回路６００のＮＯＴ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフであり、図４４（ｄ）は図４３の光論理演算回路６００のＥＸＯＲ演算における入力光パルス強度に対する出力光パルス強度を示すグラフである。
【０１８１】
図４３において、光論理演算回路６００は、光信号処理器６０１と、３ｄＢ光カップラ６０２とを備えて構成される。ここで、光信号処理器６０１は、図３の光符号化器２０１と同様に、ＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、２個の光帯域通過フィルタ１４、１４Ａと、光アイソレータ１８と、光ファイバケーブル１９と、光サーキュレータ１６Ａと、信号光パルス光源６０３とを備えて構成され、信号光パルス光源６０３からの信号光パルスは光サーキュレータ１６Ａを介して、光信号処理器６０１のＮＯＬＭ１０の光ファイバケーブルに入力される。ここで、光論理演算の入力信号である２つの２値パルス列信号ｘ，ｙは光カップラ６０２により合成された後、光アイソレータ１８、光ファイバケーブル１９及び光カップラ１２を介して光信号処理器６０１のＮＯＬＭ１０に入力された後、ＮＯＬＭ１０内で上記信号光パルスと合成されて上述の非線形光処理が行われた後、処理後の光信号は、光カップラ１１から光帯域通過フィルタ１４を介して第１の演算結果の光信号として出力されるとともに、光カップラ１１から光アイソレータ１６Ａ及び光帯域通過フィルタ１４Ａを介して第２の演算結果の光信号として出力される。
【０１８２】
ここで、光信号処理器６０１は、例えば図４４に示すように、光論理回路の演算の種類に応じて、以下のごとく異なる伝達関数を有する。ここで、伝達関数は入力光パルス強度に対する出力光パルス強度の関数であり、出力パルス強度のピーク・ツー・ピークの振幅はＢである。
（ａ）ＯＲ演算及びＮＯＲ演算のときには、伝達関数は、図４４（ａ）に示すように、入力光パルス強度が０のときに出力光パルス強度が０であり、これより、入力光パルス強度が増大するにつれて出力光パルス強度が３Ａの周期の正弦波形状で変化する。ここで、光帯域通過フィルタ１４からＯＲ演算結果の光信号を得ることができるとともに、光帯域通過フィルタ１４ＡからＮＯＲ演算結果の光信号を得ることができる。
（ｂ）ＡＮＤ演算及びＮＡＮＤ演算のときには、伝達関数は、図４４（ｂ）に示すように、入力光パルス強度が０のときに出力光パルス強度が０であり、これより、入力光パルス強度が増大するにつれて出力光パルス強度が６Ａの周期の正弦波形状で変化する。ここで、光帯域通過フィルタ１４からＡＮＤ演算結果の光信号を得ることができるとともに、光帯域通過フィルタ１４ＡからＮＡＮＤ演算結果の光信号を得ることができる。
（ｃ）ＮＯＴ演算のときには、伝達関数は、図４４（ｃ）に示すように、入力光パルス強度が０のときに出力光パルス強度がＢであり、これより、入力光パルス強度が増大するにつれて出力光パルス強度が２Ａの周期の正弦波形状で変化する。ここで、光帯域通過フィルタ１４ＡからＮＯＴ演算結果の光信号を得ることができる。
（ｄ）ＥＸＯＲ演算のときには、伝達関数は、図４４（ｄ）に示すように、入力光パルス強度が０のときに出力光パルス強度が０であり、これより、入力光パルス強度が増大するにつれて出力光パルス強度が２Ａの周期の正弦波形状で変化する。ここで、光帯域通過フィルタ１４からＥＸＯＲ演算結果の光信号を得ることができる。
【０１８３】
以上説明したように、２つの２値光信号ｘ，ｙを入力するときに、光信号ｘのパルスのみ、又は光信号ｙのパルスのみをＮＯＬＭ１０に入力するときは、その光信号の光強度はＡであり、これら２つの光信号ｘ，ｙのパルスがＮＯＬＭ１０に入力するときは、その合成後の光信号の光強度は２Ａとなる。図４４に示すように、光信号処理器６０１の伝達関数を適切に調整することにより、きわめて簡単な光回路を用いて上述の種々の光論理演算を実現できる。
【実施例８】
【０１８４】
第４の実験システム．
図４５は本発明の実施形態に係る第４の実験システムの構成を示すブロック図であり、図４６は図４５の第４の実験システムの実験結果であって、制御光の平均電力に対する出力信号光の平均電力を示すグラフである。
【０１８５】
図４５の第４の実験システムにおいて、光信号処理器６０１Ａは、図３の光符号化器２０１と同様に、光ファイバケーブル上に偏波コントローラ１０Ａを有するＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２と、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光サーキュレータ１６Ａと、偏波コントローラ１９Ａとを備えて構成される。信号光源６１１は、波長１５６８ｎｍでパルス周波数１０ＧＨｚを有する信号光パルスを発生して、エルビウムがドープされたファイバ光増幅器６１２及び可変光遅延回路１５Ａ、光アイソレータ１６Ａ及び光カップラ１１を介して、光信号処理器６０１ＡのＮＯＬＭ１０に入力する。一方、信号光源６２１は、波長１５５２ｎｍでパルス周波数１０ＧＨｚを有する制御光パルスを発生して、エルビウムがドープされたファイバ光増幅器６２２及び可変光減衰器６２３、偏波コントローラ１９Ａ及び光カップラ１２を介して、光信号処理器６０１ＡのＮＯＬＭ１０に入力する。ここで、ＮＯＬＭ１０で用いる高非線形ファイバは、４００ｍの長さＬと、１６．６Ｗ−１ｋｍ−１の非線形性係数γを有する。
【０１８６】
以上のように構成された図４５の第４の実験システムで得られる伝達関数として、図４６に示すように、２．５周期以上の実質的に正弦波形状の関数を得ることができた。
【実施例９】
【０１８７】
第５の実験システム．
図４７及び図４８は本発明の実施形態に係る第５の実験システムの構成を示すブロック図であり、図４７は当該第５の実験システムにおける信号光及び制御光を発生する光回路部であり、図４８は上記発生された信号光及び制御光に対して符号化し、しきい値処理を実行するための光回路部である。
【０１８８】
図４７において、サンプリングレートが１０ＧＳ／ｓである３ビットの光学的量子化及び符号化の実験システムを示している。制御光パルスの発生のために、波長１５５２ｎｍでパルス周期３ｐｓで動作する１０ＧＨｚの再生モード同期型ファイバリングレーザ（ＦＲＬ）であるレーザ光源７１１を使用し、レーザ光源７１１から出力される制御光パルスは光増幅器７１２を介して、３ｄＢ光カップラ７１３に入力されて２分配され、２分配後の一方の制御光パルスは、分散補償光ファイバケーブル（ＤＣＦ）７１５、光増幅器７１６及び可変光減衰器（ＶＯＡ）７１７を介して制御光として出力される。上記２分配後の他方の制御光パルスは、偏波コントローラ７１４を介して光カップラ７０４に入力される。一方、ＣＷレーザダイオード光源である可変レーザ光源７０１は、波長１５６０ｎｍの信号光パルスを発生して光増幅器７０２及び偏波コントローラ７０３を介して光カップラ７０４に入力される。光カップラ７０４では２つのパルス光が合成された後、合成後のパルス光は高非線形光ファイバケーブル（ＨＮＬＦ）５０５及び光帯域通過フィルタ７０６を介して信号光として出力される。すなわち、以上の光回路部では、四光波混合（ＦＷＭ）を用いて、制御光パルスと同期される１５６８ｎｍの搬送波波長及び３ｐｓの時間幅を有する信号光パルスを発生させた。また、分散補償光ファイバケーブル（ＤＣＦ）７１５を用いて、制御光パルスのパルス幅を１１ｐｓまで拡張させた。分散補償光ファイバケーブル（ＤＣＦ）７１５の後に可変光減衰器（ＶＯＡ）７１７を用いて、アナログ光信号からサンプリングされた光パルスのレベルをエミュレートした。信号光パルスが制御光パルスに重畳するように、図４８の３個の光遅延回路（ＯＤＬ）７２５，７２６，７２７の光遅延量を設定した。
【０１８９】
図４８において、光符号化回路２００Ａは３個の光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａを並列に配置して構成され、光量子化回路３００Ａは、３個の光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａを並列に配置して構成される。ここで、各光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａは、図３の光符号化器２０１と同様に、偏波コントローラ１０Ａを有するＮＯＬＭ１０と、２個の光カップラ１１，１２Ａと、光アイソレータ１３と、光帯域通過フィルタ１４と、光サーキュレータ１６Ａと、偏波コントローラ１９Ａとを備えて構成され、信号光は光サーキュレータ１６Ａ及び光カップラ１１を介して、光符号化器２０１ＡのＮＯＬＭ１０の光ファイバケーブルに入力され、制御光は偏波コントローラ１９Ａ及び光カップラ１２Ａを介してＮＯＬＭ１０に入力される。また、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａは、ＮＯＬＭ２０と、光カップラ２１と、光サーキュレータ２６Ａと、光増幅器２７と、ＮＯＬＭ２０の光ファイバケーブル上にそれぞれ挿入された光減衰器２０Ｂ及び偏波コントローラ２０Ａとを備えて構成され、各光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａからの出力光は、光増幅器２７、光サーキュレータ２６Ａ及び光カップラ２１を介してＮＯＬＭ２０に入力される。
【０１９０】
図４７の光回路部で発生された信号光は光増幅器７２１を介して、３つの光カップラ７２２，７２３，７２４により３分配され、第１の信号光は光遅延回路７２５を介して光符号化器２０１Ａの光サーキュレータ１６Ａに入力される。また、第２の信号光は光遅延回路７２６を介して光符号化器２０２Ａの光サーキュレータ１６Ａに入力され、さらに、第３の信号光は光遅延回路７２７を介して光符号化器２０３Ａの光サーキュレータ１６Ａに入力される。
【０１９１】
一方、図４７の光回路部で発生された制御光は、接続点Ｘを介して光カップラ７３１に入力されて２分配され、２分配後の一方の制御光は光カップラ７３２でさらに２分配され、その一方の光信号は光減衰器７３３を介して光符号化回路２００Ａ内の光符号化器２０１Ａの偏波コントローラ１９Ａに入力された後、光符号化器２０１Ａによる光符号化処理及び光しきい値処理器３０１Ａによる光しきい値処理が実行される。光カップラ７３２からの他方の光信号は光符号化回路２００Ａ内の光符号化器２０２Ａの偏波コントローラ１９Ａに入力された後、光符号化器２０２Ａによる光符号化処理及び光しきい値処理器３０２Ａによる光しきい値処理が実行される。また、光カップラ７３１からの他方の光信号は光減衰器７３４を介して光符号化回路２００Ａ内の光符号化器２０３Ａの偏波コントローラ１９Ａに入力された後、光符号化器２０３Ａによる光符号化処理及び光しきい値処理器３０３Ａによる光しきい値処理が実行される。
【０１９２】
以上のように構成された第５の実験システムにおいて、光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａが最大レベルの制御光パルスでそれぞれ半周期、単周期及び２周期の伝達関数を供給するように、光減衰器７３３，７３４を使用して各光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａ間の伝達関数の相対的周期性を適切に調整した。各光符号化器２０１Ａ，２０２Ａ，２０３ＡのＮＯＬＭ１０ＡのＨＮＬＦの長さＬ及び非線形係数γはそれぞれ、３８０ｍ、４０３ｍ及び４０６ｍ及び１７．５Ｗ−１ｋｍ−１、１２．０Ｗ−１ｋｍ−１及び１２．０Ｗ−１ｋｍ−１であった。光帯域通過フィルタ１４は制御光パルスを除去し、信号光パルスのみを通過させて出力する。３個の光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａの特徴はほぼ同一である。エルビウムがドープされたファイバ光増幅器２７の利得は、２３ｄＢ程度の適正値に調整した。１０ｄＢの光減衰器２０Ｂを使用して自己スイッチング型ＮＯＬＭの非対称ループを作成すると、当該ＮＯＬＭのＨＮＬＦの長さＬ及び非線形係数γはそれぞれ８３０ｍ及び１９Ｗ−１ｋｍ−１であった。
【０１９３】
図４９（ａ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０１Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０１Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＡを示すグラフであり、図４９（ｂ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０２Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０２Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＢを示すグラフであり、図４９（ｃ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光符号化器２０３Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光符号化器２０３Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＣを示すグラフである。また、図５０（ａ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０１Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０１Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＤを示すグラフであり、図５０（ｂ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０２Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０２Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＥを示すグラフであり、図５０（ｃ）は図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、光しきい値処理器３０３Ａに入力される制御光パルスの平均電力に対する光しきい値処理器３０３Ａから出力される出力信号光パルスの平均電力ＰＦを示すグラフである。さらに、図５１（ａ）は制御光パルスの平均電力が２００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフであり、図５１（ｂ）は制御光パルスの平均電力が７００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフであり、図５１（ｃ）は制御光パルスの平均電力が１０００ｍＷであるときの図４７及び図４８の第５の実験システムの実験結果であって、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａから出力される光信号の光強度ＰＤ，ＰＥ，ＰＦを示すグラフである。
【０１９４】
図４９（ｃ）に示すように、発明者の知る限りでは、これは、多周期の伝達関数を２周期まで観察した最初の実験結果であると確信している。制御光パルスの平均電力は、図４８の接続点Ｘにおいて測定した。非ゼロ復帰の周期性は、光ファイバケーブルにおける望ましくない非線形現象、不安定な偏光及びパルスの強度及びタイミングのゆらぎに起因すると思われる。
【０１９５】
図５０の各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａからの出力光の実験結果から明らかなように、伝達関数は改善され、その周期後にほぼ完全に「０」に戻ることが確認された。図５０（ａ）、図５０（ｂ）及び図５０（ｃ）の挿入図は、各光しきい値処理器３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａからの出力光で測定したパルス幅の自己相関波形の一部であり、パルス形状に大きな変化は観察されなかった。図５１は、ガウス形のパルス波形を想定してパルス幅及び平均電力の測定値から取得される、制御パルスの平均電力２００ｍＷ、７００ｍＷ及び１０００ｍＷで再構築される出力のデジタルパルスを示す。このように、３ビットのＡ／Ｄ変換は首尾良く達成されることが確認される。例えば図１１に示すようなカスケード型の複数の光しきい値処理器の連結又は光２Ｒ技術（再増幅及び再整形）のいずれかを組み込めば、「０」のパルス光をさらに抑圧することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明に係る光Ａ／Ｄ変換装置は、高速なサンプリングが必要な測定機器関係を初めとして、光通信の光アナログ信号と光ディジタル信号の変換が必要な各ノード、その他高速なＡ／Ｄ変換が必要なコンピューティング等の分野において適用可能であり、本発明は基礎的な信号処理技術であるためにその他様々な分野での利用が可能である。
【符号の説明】
【０１９７】
１０…非線形光ループミラー、
１０Ａ…偏波コントローラ、
１１，１２…光カップラ、
１３…光アイソレータ、
１４，１４Ａ…光帯域通過フィルタ、
１５…光遅延回路、
１５Ａ…可変光遅延回路、
１６…光アイソレータ、
１６Ａ…光サーキュレータ、
１７…光増幅器、
１８…光アイソレータ、
１９…光ファイバケーブル、
１９Ａ…偏波コントローラ、
２０…非線形光ループミラー、
２０Ａ…偏波コントローラ、
２０Ｂ…光減衰器、
２１，２２…光カップラ、
２３…光アイソレータ、
２４…光帯域通過フィルタ、
２５…レーザダイオード、
２６，２６Ａ…光アイソレータ、
２７…光増幅器、
２８…光アイソレータ、
２９…光ファイバケーブル、
３０…標本化信号発生器、
３１…レーザダイオード、
３２…光アイソレータ、
４１…光標本化回路、
４２…光アイソレータ、
５０…ファイバリングレーザ、
５１，５２…光帯域通過フィルタ、
５３…光変調器、
５４…データ信号発生器、
５５，５６，５７…光分配器、
６１，６２…ファイバリングレーザ、
６３…光遅延回路、
７１，７２，７３…光カップラ、
８１，８２…光導波路、
９１，９２，９３…光カップラ、
９４…光アイソレータ、
９５…光帯域通過フィルタ、
１００…光Ａ／Ｄ変換装置、
１０１，１０２…光ファイバケーブル、
１０３…分散補償光ファイバケーブル、
１０４…光帯域通過フィルタ、
１０５…光カップラ、
１０６…偏波コントローラ、
１１１…高複屈折光ファイバケーブル、
１１２…偏光子、
２００、２００Ａ…光符号化回路、
２０１，２０２，２０３，２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａ…光符号化器、
３００，３００Ａ…光量子化回路、
３０１，３０２，３０３，３１１，３１２，３１３，３２２，３２３，３３３、３０１Ａ，３０２Ａ，３０３Ａ…光しきい値処理器、
４００…多値光信号復号器、
４０１，４０２…光信号処理器、
４１０…光カップラ、
４１１，４１２…信号光パルス光源、
４２１…光遅延回路、
４２２…光カップラ、
５００…非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）、
５０１…光ファイバ、
５０２…光カップラ、
５０４…高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）、
５１０…光信号の入力端、
５１１，５１２…光ファイバ端、
５１３…出力端、
５２４…制御光入力手段、
５３０…入力信号光、
５３１…制御光、
５３２，５３３…伝搬光、
５３４…出力信号光、
５５０…非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）
５５１…光ファイバ、
５５２…３ｄＢ光カップラ、
５５３…１７ｄＢ光カップラ、
５５４…高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）、
５６１，５６２…３ｄＢカップラの端子、
５７１…制御光入力端、
５７４…ＷＤＭカップラ、
５８０…入力端、
５９１，５９２…偏波コントローラ、
５９３…反射光受光端、
５９５…Ｃ／Ｌバンド用ＷＤＭカップラ、
５９７…遅延線、
５９８…光サーキュレータ、
６００…光論理演算回路、
６０１，６０１Ａ…光信号処理器、
６０２…光カップラ、
６０３…信号光パルス光源、
６１１，６２１…光源、
６１２，６２２…光増幅器、
６１３…パワーメータ、
６２３…光減衰器、
７０１…レーザ光源、
７０２…光増幅器、
７０３…偏波コントローラ、
７０４，７１３…光カップラ、
７０５…高非線形光ファイバケーブル（ＨＮＬＦ）、
７０６…光帯域通過フィルタ、
７１１…レーザ光源、
７１２，７１６…光増幅器、
７１５…分散補償光ファイバケーブル（ＤＣＦ）、
７１７…可変光減衰器、
７２１…光増幅器、
７２２，７２３，７２４，７３１，７３２…光カップラ、
７２５，７２６，７２７…光遅延回路、
７３３，７３４…光減衰器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの上記出力光信号のパワーが、その最大値に対する割合が所定のしきい値以下となるように、それぞれの光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする非線形光ループミラー。
【請求項２】
上記制御光信号と同一方向に伝搬する上記光信号が非線形媒質中でパラメトリック利得によって増幅された割合をＧ、上記出力光信号のパワーの最大値に対する上記所定のしきい値の割合をＴｔｈとしたときにＧ＜２Ｔｔｈ＋１の関係式を満足することを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項３】
上記光信号と上記制御光信号のパルスが上記非線形媒質の所定の範囲で重なるように、上記入力光信号と上記制御光信号のいずれか一方を光遅延線を介してから入力することを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項４】
上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光状態が実質的に同一であることを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項５】
上記所定のしきい値が、光アナログ／ディジタル変換の量子・符号化処理で必要とされるしきい値であることを特徴とする請求項２記載の非線形光ループミラー。
【請求項６】
上記所定のしきい値が３ｄＢであることを特徴とする請求項２記載の非線形光ループミラー。
【請求項７】
（ａ）上記非線形媒質の分散値が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得が所定値以上になる最小の分散値以下であることと、
（ｂ）上記非線形媒質の分散値が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得が所定値以上になる最大の分散値以上であることと
のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項８】
上記制御光信号と上記入力光信号の波長差が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生する所定値以上のパラメトリック利得を与える最大の波長差よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項９】
上記制御光信号と上記光信号の波長差と、上記非線形媒質の分散値との積の絶対値が、ウォークオフを抑圧して、２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差を２π以上とする値以下であることを特徴とする請求項２記載の非線形光ループミラー。
【請求項１０】
上記２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数）となるときの上記出力光信号のパワー値が、光アナログ／ディジタル変換の処理において０として処理されることを特徴とする請求項２記載の非線形光ループミラー。
【請求項１１】
上記非線形媒質の分散特性が上記制御光信号の波長において正常分散特性を有することを特徴とする請求項７記載の非線形光ループミラー。
【請求項１２】
上記非線形媒質の分散特性が上記制御光信号の波長において異常分散特性を有することを特徴とする請求項７記載の非線形光ループミラー。
【請求項１３】
上記入力光信号と上記制御光信号の波長において、上記非線形媒質の分散値Ｄを波長λで微分した値が正（ｄＤ／ｄλ＞０）であるとき、λ０＞λＳ＞λＣであることを特徴とする請求項１１記載の非線形光ループミラー。
【請求項１４】
上記入力光信号と上記制御光信号の波長において、上記非線形媒質の分散値Ｄを波長λで微分した値が負（ｄＤ／ｄλ＜０）であるとき、λ０＜λＳ＜λＣであることを特徴とする請求項１１記載の非線形光ループミラー。
【請求項１５】
光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
上記非線形媒質が上記制御光信号の波長において正常分散の特性を有し、
（ａ）上記制御光信号の波長における上記非線形媒質の分散値が−０．６２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、上記入力信号光と上記制御光の波長差が１６ｎｍ以上であることと、
（ｂ）上記制御光信号の波長における上記非線形媒質の分散値が−０．３１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、上記入力信号光と上記制御光の波長差が２０ｎｍ以上であることと
のいずれかであることを特徴とする非線形光ループミラー。
【請求項１６】
上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光状態が実質的に同一であることを特徴とする請求項１５記載の非線形光ループミラー。
【請求項１７】
光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
２分岐されたそれぞれの光信号と上記制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によって、それぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２π以上であり、
上記非線形媒質が上記制御光信号の波長において正常分散の特性を有し、
２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの出力光信号のパワーが、その最大値に対する割合が光アナログ／ディジタル変換におけるしきい値以下となるように、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする非線形光ループミラー。
【請求項１８】
上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光状態が実質的に同一であることを特徴とする請求項１７記載の非線形光ループミラー。
【請求項１９】
光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーを設計する方法であって、
入力光信号のパワーに対する出力光信号のパワーの関係で表される伝達関数とその周期（φｍａｘ）を決定する第１のステップと、
光信号処理に適した、出力光信号のしきい値を決める第２のステップと、
非線形媒質の非線形定数と分散特性、及び制御光信号の波長とピークパワーを仮決めする第３のステップと、
位相シフトが上記周期φｍａｘに及んでいるかを判別し、及んでいるとき第５のステップに進む一方、及んでいなければ上記第３のステップに戻る第４のステップと、
上記光信号がパラメトリック利得によって増幅された割合をＧ、上記出力光信号のパワーの最大値に対する上記しきい値の割合をＴｔｈとしたときにＧ＜２Ｔｔｈ＋１を満足するかを判別し、満足しているとき上記仮決めの非線形媒質の非線形定数と分散特性、及び制御光信号の波長とピークパワーを設計確定値とする一方、満足していなければ上記第３のステップに戻る第５のステップとを含むことを特徴とする非線形光ループミラーの設計方法。
【請求項２０】
入力された光信号を２分岐し、分岐した一方の光信号（Ａ）を波長の異なる制御光信号と同一方向に伝搬させて相互位相変調を発生させ、分岐した他方の光信号（Ｂ）との間の位相シフト差を制御光信号のパワー変化に対して周期的に変化させて、上記光信号（Ａ）及び（Ｂ）の干渉によって得られる出力光信号のパワーを変化させる光信号変換方法であって、
上記出力光信号のパワーの最大値に対して、位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの上記出力光信号のパワーが、光アナログ／ディジタル変換の量子・符号化処理のしきい値以下となるように、上記光信号（Ａ）と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする光信号変換方法。
【請求項１】
光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの上記出力光信号のパワーが、その最大値に対する割合が所定のしきい値以下となるように、それぞれの光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする非線形光ループミラー。
【請求項２】
上記制御光信号と同一方向に伝搬する上記光信号が非線形媒質中でパラメトリック利得によって増幅された割合をＧ、上記出力光信号のパワーの最大値に対する上記所定のしきい値の割合をＴｔｈとしたときにＧ＜２Ｔｔｈ＋１の関係式を満足することを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項３】
上記光信号と上記制御光信号のパルスが上記非線形媒質の所定の範囲で重なるように、上記入力光信号と上記制御光信号のいずれか一方を光遅延線を介してから入力することを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項４】
上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光状態が実質的に同一であることを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項５】
上記所定のしきい値が、光アナログ／ディジタル変換の量子・符号化処理で必要とされるしきい値であることを特徴とする請求項２記載の非線形光ループミラー。
【請求項６】
上記所定のしきい値が３ｄＢであることを特徴とする請求項２記載の非線形光ループミラー。
【請求項７】
（ａ）上記非線形媒質の分散値が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得が所定値以上になる最小の分散値以下であることと、
（ｂ）上記非線形媒質の分散値が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得が所定値以上になる最大の分散値以上であることと
のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項８】
上記制御光信号と上記入力光信号の波長差が、上記光信号と上記制御光信号の間で発生する所定値以上のパラメトリック利得を与える最大の波長差よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の非線形光ループミラー。
【請求項９】
上記制御光信号と上記光信号の波長差と、上記非線形媒質の分散値との積の絶対値が、ウォークオフを抑圧して、２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差を２π以上とする値以下であることを特徴とする請求項２記載の非線形光ループミラー。
【請求項１０】
上記２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数）となるときの上記出力光信号のパワー値が、光アナログ／ディジタル変換の処理において０として処理されることを特徴とする請求項２記載の非線形光ループミラー。
【請求項１１】
上記非線形媒質の分散特性が上記制御光信号の波長において正常分散特性を有することを特徴とする請求項７記載の非線形光ループミラー。
【請求項１２】
上記非線形媒質の分散特性が上記制御光信号の波長において異常分散特性を有することを特徴とする請求項７記載の非線形光ループミラー。
【請求項１３】
上記入力光信号と上記制御光信号の波長において、上記非線形媒質の分散値Ｄを波長λで微分した値が正（ｄＤ／ｄλ＞０）であるとき、λ０＞λＳ＞λＣであることを特徴とする請求項１１記載の非線形光ループミラー。
【請求項１４】
上記入力光信号と上記制御光信号の波長において、上記非線形媒質の分散値Ｄを波長λで微分した値が負（ｄＤ／ｄλ＜０）であるとき、λ０＜λＳ＜λＣであることを特徴とする請求項１１記載の非線形光ループミラー。
【請求項１５】
光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
上記非線形媒質が上記制御光信号の波長において正常分散の特性を有し、
（ａ）上記制御光信号の波長における上記非線形媒質の分散値が−０．６２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、上記入力信号光と上記制御光の波長差が１６ｎｍ以上であることと、
（ｂ）上記制御光信号の波長における上記非線形媒質の分散値が−０．３１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、上記入力信号光と上記制御光の波長差が２０ｎｍ以上であることと
のいずれかであることを特徴とする非線形光ループミラー。
【請求項１６】
上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光状態が実質的に同一であることを特徴とする請求項１５記載の非線形光ループミラー。
【請求項１７】
光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーであって、
２分岐されたそれぞれの光信号と上記制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によって、それぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２π以上であり、
上記非線形媒質が上記制御光信号の波長において正常分散の特性を有し、
２分岐されたそれぞれの光信号と制御光信号との間で起こる相互位相変調（ＸＰＭ）によってそれぞれの光信号に発生する位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの出力光信号のパワーが、その最大値に対する割合が光アナログ／ディジタル変換におけるしきい値以下となるように、上記光信号と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする非線形光ループミラー。
【請求項１８】
上記光ファイバ及び上記非線形媒質中で、上記光信号と上記制御光信号の偏光状態が実質的に同一であることを特徴とする請求項１７記載の非線形光ループミラー。
【請求項１９】
光ファイバと、光信号の入力端から入力された入力光信号を２分岐して光ファイバの両端に出力し、かつ上記光ファイバの両端から出力される光信号をそれぞれ上記光信号の入力端及び光信号の出力端に分岐出力するように接続された光カップラと、制御光信号を上記光ファイバに入力する制御光入力手段と、上記光ファイバの光路上に配置される非線形媒質を有し、上記制御光信号のパワーによって上記光ファイバの両端に入力された光信号の位相差を調節し、上記光信号の出力端から出力される出力光信号のパワーを制御する非線形光ループミラーを設計する方法であって、
入力光信号のパワーに対する出力光信号のパワーの関係で表される伝達関数とその周期（φｍａｘ）を決定する第１のステップと、
光信号処理に適した、出力光信号のしきい値を決める第２のステップと、
非線形媒質の非線形定数と分散特性、及び制御光信号の波長とピークパワーを仮決めする第３のステップと、
位相シフトが上記周期φｍａｘに及んでいるかを判別し、及んでいるとき第５のステップに進む一方、及んでいなければ上記第３のステップに戻る第４のステップと、
上記光信号がパラメトリック利得によって増幅された割合をＧ、上記出力光信号のパワーの最大値に対する上記しきい値の割合をＴｔｈとしたときにＧ＜２Ｔｔｈ＋１を満足するかを判別し、満足しているとき上記仮決めの非線形媒質の非線形定数と分散特性、及び制御光信号の波長とピークパワーを設計確定値とする一方、満足していなければ上記第３のステップに戻る第５のステップとを含むことを特徴とする非線形光ループミラーの設計方法。
【請求項２０】
入力された光信号を２分岐し、分岐した一方の光信号（Ａ）を波長の異なる制御光信号と同一方向に伝搬させて相互位相変調を発生させ、分岐した他方の光信号（Ｂ）との間の位相シフト差を制御光信号のパワー変化に対して周期的に変化させて、上記光信号（Ａ）及び（Ｂ）の干渉によって得られる出力光信号のパワーを変化させる光信号変換方法であって、
上記出力光信号のパワーの最大値に対して、位相シフトの差が２ｎπ（ｎは１以上の整数である。）となるときの上記出力光信号のパワーが、光アナログ／ディジタル変換の量子・符号化処理のしきい値以下となるように、上記光信号（Ａ）と上記制御光信号の間で発生するパラメトリック利得を抑制することを特徴とする光信号変換方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【公開番号】特開２０１０−２０４６９０（Ｐ２０１０−２０４６９０Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４０９４（Ｐ２０１０−１３４０９４）
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【分割の表示】特願２００４−１６７２３０（Ｐ２００４−１６７２３０）の分割
【原出願日】平成１６年６月４日（２００４．６．４）
【出願人】（８０１００００６１）財団法人大阪産業振興機構 (168)
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【分割の表示】特願２００４−１６７２３０（Ｐ２００４−１６７２３０）の分割
【原出願日】平成１６年６月４日（２００４．６．４）
【出願人】（８０１００００６１）財団法人大阪産業振興機構 (168)
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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